La cellula eucariote

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LA CELLULA EUCARIOTE
Origine della vita
Gli studi attuali sono propensi a concludere che il nostro pianeta si sia formato tra i 4,5 ed i 5 miliardi di anni fa. Durante le sue prime centinaia di milioni di anni, la Terra era un pianeta molto diverso da quello attuale e le condizioni ambientali erano decisamente inospitali per la vita. Col tempo però le condizioni sono cambiate, la superficie terrestre si è raffreddata e la vita ha potuto cominciare a svilupparsi. Si pensa che tutto questo sia accaduto tra i 3,5 ed i 3,8 miliardi di anni fa. Naturalmente non è possibile verificare in laboratorio le ipotesi formulate per spiegare l’origine della vita, tuttavia alcuni esperimenti forniscono indicazioni che sembrerebbero conciliare con il modello previsto in via teorica.
E’ già da molto tempo che si sa che le molecole organiche sono in grado di formarsi e di polimerizzare spontaneamente, in particolari condizioni. Questo è quello che si ritiene sia accaduto all’origine della vita. Infatti 3,8 miliardi di anni fa l’atmosfera terrestre era molto diversa, e prevalevano gas quali l’anidride carbonica, l’azoto, l’idrogeno, il metano e l’acido solfidrico (aveva cioè un’atmosfera simile a quella dei pianeti più vicini), mentre era del tutto assente l’ossigeno. Negli anni ’50 un celebre esperimento, condotto da Miller, dimostrò che in un’atmosfera di questo genere, in presenza di scariche elettriche, potevano formarsi spontaneamente alcuni amminoacidi. Evidentemente quindi le prime molecole organiche nella storia della vita furono gli amminoacidi, che in particolari condizioni (alta temperatura, bassa umidità) possono anche polimerizzare spontaneamente a formare le prime rudimentali proteine.
La seconda svolta significa avvenne però quando le prime molecole organiche incominciarono ad autoreplicarsi. Oggi sappiamo che solo gli acidi nucleici sono in grado di guidare la propria replicazione, mentre le proteine non ne sono capaci. E’ evidente quindi che soltanto in seguito alla comparsa dei primi acidi nucleici le molecole organiche poterono cominciare ad evolversi autoreplicandosi. Evolutivamente l’RNA è comparso prima del DNA, perché è una molecola più semplice (oltre che molto delicata). Negli anni ’80 si è scoperto che l’RNA (e non solo il DNA) è capace di autoreplicarsi, per cui oggi si ritiene che il mondo di qualche miliardo di anni fa fosse un mondo ad RNA, in cui cioè il materiale genetico che trasmetteva l’informazione era l’RNA. Il DNA originò probabilmente in un secondo momento e lentamente soppiantò l’RNA nel suo compito di trasmissione dell’informazione genetica. Infatti oggi il DNA è la molecola informazionale di quasi tutti gli organismi viventi, pur resistendone alcuni (virus) che usano ancora l’RNA.
Per poter parlare di cellula però occorre un’altra drammatica trasformazione, e cioè una molecola di RNA dovette venire a trovarsi circondata da fosfolipidi. Sappiamo che, in acqua, i fosfolipidi si dispongono a formare micelle, nelle quali si ha la separazione di due ambienti acquosi, uno che rimane esterno ed uno interno. Se nell’ambiente interno viene a trovarsi, più o meno casualmente, una molecola di RNA con qualche proteina, questa potrà a buon diritto essere chiamata “cellula”.
Le prime cellule
Le prime cellule erano estremamente semplici, sicuramente molto di più delle più semplici esistenti oggi. Erano costituite da un involucro fosfolipidico, con un po’ di materiale genetico ed un po’ di proteine all’interno. Poi, gradualmente, la struttura andò a complicarsi, fino ad arrivare ad assumere la forma delle cellule più semplici conosciute: le cellule procariote. Con il termine “procariota” (letteralmente significa “prima del nucleo”) indichiamo una cellula formata da un rivestimento esterno (la membrana plasmatica o membrana cellulare o plasmalemma) che delimita un porzione di soluzione acquosa che chiamiamo citoplasma (o citosol). Nel citoplasma troviamo sparse tutte le molecole che costituiscono la cellula, compreso il materiale genetico. Questa struttura base fu la sola ad esistere per circa 1,5 miliardi di anni. Poi, intorno a circa 2 miliardi di anni fa, nacque una seconda forma cellulare: la cellula eucariote (letteralmente “buon nucleo”, cioè nucleo ben visibile). La differenza principale sta proprio nel fatto che nella cellula eucariota il materiale genetico si trova separato dal resto del citoplasma, o per meglio dire compartimentalizzato in una struttura chiamata nucleo. Il nucleo della cellula eucariota fa parte di un gruppo di strutture che chiamiamo organelli (o organuli), ognuno dei quali è provvisto di un rivestimento di natura fosfolipidica che ha le stesse caratteristiche della membrana plasmatica.
Come detto, le cellule procariote rimasero da sole sulla Terra per moltissimo tempo, ed in questo intervallo ebbero occasione di evolversi molto. Poiché come sappiamo una delle caratteristiche degli organismi viventi sta nella necessità di nutrirsi, è chiaro che le prime cellule potevano nutrirsi esclusivamente assumendo sostanze nutritive dall’ambiente circostante, il che rappresentava un forte rischio se l’ambiente, per qualsiasi motivo, si fosse modificato senza garantire più la quantità di cibo necessaria. Un evento particolarmente importante nell’evoluzione fu quindi l’acquisizione, da parte della cellula procariote, della capacità di nutrirsi da sè, cioè la comparsa del metabolismo. Con il termine metabolismo indichiamo l’insieme delle reazioni chimiche che una cellula compie per il proprio mantenimento. Solitamente il metabolismo viene diviso in catabolismo (smontaggio di molecole complesse per ottenere energia e molecole di semplici) ed anabolismo (costruzione di molecole complesse con consumo di energia), anche se il confine tra le due vie è molto labile ed ha significato solo sul piano didattico. Si ritiene che il primo processo metabolismo “inventato” dalle cellule sia stato la glicolisi, cioè una via catabolica che demolisce il glucosio ed è in grado di accumulare energia sotto forma di ATP. La glicolisi è un processo che non richiede ossigeno, e per questo motivo viene chiamata anaerobia. Ricordiamo infatti che l’atmosfera primordiale era priva di ossigeno, a differenza della nostra, e di conseguenza un processo aerobico (che richiede ossigeno) non avrebbe mai potuto svilupparsi. L’acquisizione della capacità di compiere la glicolisi diede evidentemente un grande vantaggio alle cellule, ma ancora non risolveva il problema dell’approvigionamento di nutrienti, infatti dipendevano ancora dalla disponibilità del glucosio. Inoltre la glicolisi è un processo che produce energia, ma la sua resa (cioè la quantità di energia ottenuta sul totale di quella disponibile) è molto bassa. Per ogni molecola di glucosio demolita secondo questa via si ottengono appena 2 molecole di ATP.
Un altro grande salto evolutivo è legato alla comparsa di un altro importante processo metabolico: la fotosintesi. Le prime cellule fotosintetiche erano infatti in grado di prodursi da sole il glucosio di cui abbisognavano (e che avrebbero demolito con la glicolisi) utilizzando molecole inorganiche e sfruttando l’energia della luce solare. Come vedremo, nel processo di fotosintesi vengono impiegate come reagenti l’acqua e l’anidride carbonica e si ottengono come prodotti glucosio e ossigeno. La fotosintesi ebbe così grande successo e diffusione che la quantità di ossigeno prodotta e rilasciata nell’atmosfera fu talmente grande da andare a modificare la composizione chimica dell’atmosfera stessa, che cominciò ad arricchirsi di ossigeno, fino ad arrivare a quel 20% circa presente al giorno d’oggi. Ma l’aumento di ossigeno atmosferico portò un altra conseguenza fondamentale: la comparsa dei primi processi metabolici aerobici. L’esempio più significativo è il cosiddetto metabolismo ossidativo, che avviene a carico del glucosio, come la glicolisi, ma attraverso una serie maggiore di reazioni, ha una resa molto più elevata, che può arrivare fino a 36-38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio che viene ossidata.
Oltre ai metabolismi che abbiamo descritto cercando di seguire una sorta di filo evolutivo, ne esistono molti altri, che non hanno però la diffusione e l’importanza, biologica ed ecologica, di questi tre. Esistono infatti organismi che in particolari nicchie ecologiche, sono in grado di trarre energia da altre fonti, o di produrre composti differenti, in omaggio alla grande variabilità che contraddistingue i viventi, i quali mostrano sempre una certa resistenza ad essere catalogati in gruppi “rigidi”.
I meccanismi metabolici sopra descritti invece hanno grandissima diffusione: la glicolisi esiste praticamente in tutti gli organismi viventi conosciuti, la fotosintesi è caratteristica di tutti quelli che classifichiamo come “vegetali” ed il metabolismo ossidativo è la norma per tutti gli organismi superiori.
La grande diffusione di un processo come la glicolisi testimonia anche un altro evento: che si sia formato molto precocemente durante l’evoluzione. Come vedremo meglio in seguito, l’evoluzione degli organismi viventi è partita da un precursore comune, che possiamo considerare l’antenato di tutti gli organismi oggi esistenti. Da questo precursore si sarebbero poi generate forme di vita differenti attraverso vie evolutive divergenti, separatesi cammin facendo da un ramo preesistente. E’ chiaro che se tutti gli organismi noti fanno la glicolisi significa che questo processo è comparso prima che il progenitore ancestrale desse origine a due rami evolutivi separati. Se fosse comparso dopo, probabilmente esisterebbe solo in uno dei due rami, in quanto è altamente improbabile che lo stesso processo possa evolvere nello stesso modo in due vie indipendenti. Come vedremo, infatti, l’evoluzione dipende da mutazioni sul DNA, che sono per lo più casuali, ed è pertanto molto difficile che la stessa mutazione casuale avvenga due volte.
Virus, cellule procariote e caratteristiche
I procarioti odierni sono solitamente suddivisi in due grandi gruppi: il primo è quello degli eubatteri, ed il secondo quello degli archeobatteri. Questi due gruppi comprendono individui molto diversi tra di loro, e le differenze sono tanto grandi, se non di più, quanto le differenze che esistono tra procarioti ed eucarioti.
Gli eubatteri comprendono tutti quei microrganismi (dimensioni medie di pochi Gm) che rappresentano le forme comuni dei batteri odierni, sia quelli patogeni che quelli innocui. Sono tutti organismi unicellulari, la cui forma può essere molto varia. Alcuni sono sferici (cocchi), altri sono a bastoncino (bacilli), altri sono fatti “a virgola” (vibrioni), altri ancora ricordano un’elica (spirilli). Possiedono DNA sotto forma di un’unica molecola, chiamata cromosoma batterico, di forma circolare, la cui lunghezza è al massimo di qualche milione di coppie di basi. Nel loro citoplasma non troviamo organuli rivestiti da membrana e l’unica struttura evidente sono i ribosomi, organuli (non rivestiti) deputati alla sintesi delle proteine. Alcuni eubatteri possiedono un rivestimento esterno alla membrana plasmatica, chiamato parete cellulare, di natura polisaccaridica.
Gli archeobatteri sono meno conosciuti e meno diffusi degli eubatteri, e sono caratterizzati dal prediligere condizioni di vita estreme. Alcuni possono vivere a temperature anche superiori agli 80°C, o in condizioni di pH estremamente acido (anche fino a 2), condizioni che sarebbero impossibili per una qualsiasi altra cellula. Gli archeobatteri possiedono invece una struttura particolarmente resistente a queste condizioni, verosimilmente ereditata dai loro antenati, che vivevano in condizioni molto difficili e che qualche miliardo di anni fa erano probabilmente le forme di vita prevalenti.
I procarioti, siano essi eubatteri o archeobatteri, soddisfano tutti i requisiti richiesti ad un organismo per poter condurre vita autonoma. Il concetto stesso di cellula, infatti, si riconduce a questo, ed indica la più piccola porzione di un organismo capace di vivere autonomamente. Un procariote infatti si nutre, si riproduce, si muove, ecc..., cioè svolge tutte le funzioni vitali in assoluta autonomia.
Esistono poi altre “entità” che a rigore non possiamo definire organismi viventi, che sono i virus. I virus infatti non sono in grado di vivere autonomamente, ma possono farlo solo se si trovano all’interno di una cellula, cioè se infettano un ospite. Normalmente ogni virus ha uno o più ospiti specifici. Quando incontra il suo ospite specifico, il virus lo infetta ed una volta dentro, utilizza le strutture interne del suo ospite per riprodursi. Dopo la riproduzione, di solito il virus uccide l’ospite, esce e va a cercarne un altro. I virus quindi non sono “viventi” ma sono solo un aggregato di acidi nucleici (per alcuni DNA, per altri RNA) e proteine. I virus sono molto più piccoli dei batteri più piccoli, e le loro dimensioni si aggirano intorno a decine o tuttalpiù qualche centinaio di nm. La loro struttura prevede che il materiale genetico sia circondato da un involucro proteico chiamato capside, e da altre proteine che servono per il riconoscimento dell’ospite. Quando un virus trova il suo ospite, il materiale genetico viene iniettato mentre il capside resta fuori.
Evoluzione delle cellule eucariotiche
Come detto, l’origine delle cellule eucariotiche si fa normalmente risalire a circa due miliardi di anni fa. Non è chiaro il meccanismo che ha portato all’evoluzione di questo tipo di cellule, ma ormai oggi è quasi universalmente accettato il modello della cosiddetta endosimbiosi seriale, e la teoria ad esso collegata, la teoria endosimbiontica proposta negli anni ’60, ha trovato notevoli conferme sul piano sperimentale.
Le cellule eucariotiche si presentano oggi come cellule compartimentalizzate in numerosi organelli, ciascuno delimitato da una membrana simile a quella esterna, e deputato allo svolgimento di una particolare funzione. Tra gli organuli di una cellula eucariote, oltre al già citato nucleo, troviamo ad esempio i mitocondri (la sede del metabolismo ossidativo), i cloroplasti (la sede della fotosintesi, negli organismi che la svolgono) i lisosomi (deputati alla demolizione delle sostanze condotte dall’esterno), il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi (che svolgono varie funzioni connesse alla sintesi delle proteine e dei lipidi), ecc...
E’ ormai un dato accettato che mitocondri e cloroplasti si siano originati nelle cellule eucariotiche per effetto di una simbiosi (cioè una convivenza tra specie diverse che porta vantaggio reciproco ad entrambe) tra due organismi “procariotici” ancestrali. Si ritiene che uno dei due abbia “mangiato” l’altro ma poi non sia riuscito a digerirlo, e pertanto questo secondo organismo ha cominciato a vivere dentro il primo. Col tempo questa convivenza si sarebbe mantenuta e rinforzata, fino alla completa integrazione dell’organismo simbiontico con il suo ospite, dando vita ad un organello chiamato mitocondrio.
A conferma di questa teoria sono disponibili numerose prove, legate ad una serie di somiglianze tra mitocondri e batteri, che rimandiamo ad un secondo momento.
Lo stesso discorso potrebbe essere avvenuto anche per i cloroplasti. Poiché i mitocondri ci sono in tutte le cellule ed i cloroplasti solo in alcune (quelle fotosintetiche), ripetendo lo stesso ragionamento fatto in precedenza per la comparsa evolutiva della glicolisi, possiamo affermare con una certa sicurezza che l’endosimbiosi sia avvenuta prima per i mitocondri e poi, dopo una ramificazione evolutiva, per i cloroplasti.
La comparsa della pluricellularità
Tutti i procarioti esistono in forma unicellulare, cioè tutti gli organismi sono formati da una sola cellula. Tra gli eucarioti invece il panorama è maggiormente variegato. Esistono infatti una serie di organismi unicellulari anche tra gli eucarioti (i protisti), ma anche un grande numero di organismi pluricellulari.
La comparsa dei primi organismi pluricellulari ha rappresentato un ulteriore grande passo sul piano evolutivo. Per la prima volta, infatti, una cellula non era più completamente slegata da un’altra, ma cominciava ad interagire con altre cellule, prima in modo molto lasso, poi sempre più forte. La pluricellularità rappresenta un enorme vantaggio per le cellule. Infatti una cellula da sola deve provvedere a tutte le sue esigenze senza sperare in “aiuti” esterni. In un organismo pluricellulare invece, è possibile che alcune cellule si specializzino in una certa funzione, e che svolgano questa funzione non solo per loro stesse, ma anche per altre cellule, che invece si specializzeranno in una funzione diversa. Questa specializzazione (o per meglio dire “differenziamento”) cellulare è stato un processo molto lungo e complesso, ma che ha portato alla comparsa di organismi sempre più grandi e sempre più “complicati”, cioè con un numero di funzioni e di risorse sempre più elevato. Oggi, organismi come l’uomo, formati da miliardi e miliardi di cellule, presentano una grande varietà di tipi cellulari. Noi possediamo infatti oltre 200 tipi di cellule diverse, ciascuno specializzato a svolgere una particolare funzione all’interno del nostro corpo.
Teoria cellulare
A partire dalle prime osservazioni sulle cellule, nel ‘600, fino ai giorni nostri, le nostre conoscenze citologiche (da “citos” = cellula) si sono progressivamente accresciute, portando alla formulazione della cosiddetta “teoria cellulare”, secondo la quale la cellula è l’unità fondamentale nell’organizzazione di tutti i sistemi viventi, da quelli più semplici, unicellulari, a quelli più complessi, come piante e animali. Ogni cellula si forma da elementi cellulari preesistenti, in seguito ad un processo di divisione cellulare che da una cellula “madre” conduce a due cellule “figlie”. Questa teoria, relativamente semplice nella sua formulazione, risale alla metà dell’800, ed è stata nel tempo arricchita di ulteriori osservazioni, in parallelo con i progressi dell’istologia, prima, della biochimica, poi, e della biologia cellulare e molecolare in questi ultimi decenni.
Caratteristiche peculiari delle cellule eucariotiche
Abbiamo già accennato ad alcune caratteristiche delle cellule procariote, ed al fatto che le cellule eucariote si siano in qualche modo evolute da queste. L’evoluzione ha portato naturalmente all’acquisizione di caratteristiche nuove, che svolgevano le stesse funzioni delle cellule procariote ma con modalità e, spesso, con efficienza diversa. La specializzazione delle funzioni è andata di pari passo con l’acquisizione di nuove strutture e/o con il riarrangiamento di quelle vecchie.
Possiamo ora riassumere le principali differenze tra le cellule eucariotiche e quelle procariotiche.
Come detto, una prima differenza sostanziale sta nelle dimensioni. Pur essendoci una certa variabilità di forme e dimensioni, possiamo dire che una cellula eucariotica “media” è circa 10 volte più grande rispetto ad una cellua procariotica “media”. In termini assoluti possiamo affermare che un batterio ha un diametro di circa 1-2 lm, mentre una cellula eucariotica ha dimensioni tipiche di 10-20 mm. Abbiamo già anche accennato al fatto che esistono sostanziali differenze dal punto di vista organizzativo: le cellule procariote sono sempre unicellulari, le eucariote possono organizzarsi a formare strutture più complesse. Il livello di complessità immediatamente superiore è rappresentato dai tessuti. Definiamo tessuto un insieme di cellule identiche tra loro che contraggono rapporti di tipo funzionale e anatomico. In altri termini, le cellule di un tessuto stanno insieme (sono tenute insieme) e lavorano insieme. Tessuti differenti possono poi associarsi insieme a formare degli organi. Anche in questo caso l’interazione è sia di tipo anatomico che funzionale. Un livello ancora superiore è quello rappresentato dagli apparati, che possiamo intendere come un’associazione di organi. Dobbiamo però distinguere il termine apparato dal termine sistema: un apparato è un insieme di organi che lavorano insieme ad una determinata funzione (es. gli organi dell’apparato digerente, come lo stomaco, il fegato, il pancreas ecc... lavorano tutti allo scopo di digerire le sostanze nutritizie), un sistema è invece un insieme di organi che hanno la stessa origine embrionale. Sappiamo infatti che un organismo si sviluppa a partire da uno zigote (fusione di uovo e spermatozoo), il quale dà origine ad un embrione, che successivamente si sviluppa a formare l’individuo adulto. Durante questi processi, che sono l’oggetto di studio dell’embriologia, alcuni organi si formano a partire da punti dell’embrione ben specifici, che successivamente si differenziano a formare organi diversi, i quali faranno parte dello stesso “sistema”.
Sia eucarioti che procarioti possiedono molecole quali DNA e RNA, ma la loro organizzazione è molto diversa. Un eucariote possiede di norma un elevato numero di molecole di DNA distinte tra loro, che in particolari condizioni si rendono visibili formando i cromosomi, il cui numero e la cui struttura è comune a tutte le cellule di un certo organismo ed è comune a tutti gli organismi della specie a cui appartiene quell’individuo, ma è diverso da una specie all’altra (si dice che il numero di cromosomi è specie-specifico). Ciascuna molecole di DNA eucariote ha forma lineare, quindi possiamo riconoscere due estremità. Al contrario, i procarioti possiedono sempre una sola molecola di DNA, che ha sempre forma circolare. Sensibilmente differente è anche la quantità di DNA presente in queste cellule, che è sempre nettamente superiore negli eucarioti. Già sappiamo che il DNA procariotico è libero nel citoplasma mentre quello eucariotico è concentrato nel nucleo. Altre differenze verranno esaminate in seguito.
Altra importante differenza è legata al metabolismo: le cellule eucariote sono tutte aerobie, nei procarioti invece esiste una più fine distinzione, e possiamo trovare, accanto a batteri aerobi, altri che sono anaerobi, o altri ancora che possiamo chiamare anaerobi facoltativi, che possono cioè svolgere entrambi i metabolismi a seconda delle condizioni ambientali.
Un’altra differenza facilmente riscontrabile sta nell’organizzazione interna della cellula. Negli eucarioti abbiamo detto esistono strutture interne, chiamate organuli, ciascuna specializzata nello svolgimento di una particolare funzione e delimitata da una membrana. Queste strutture sono assenti nei procarioti, i quali possiedono come unico organulo i ribosomi, che però non sono rivestiti. Possiamo quindi riassumere il concetto dicendo che nelle cellule procariotiche non esistono sistemi interni di membrane. Tutte le funzioni, che in un eucariota sono distribuite ai vari organuli, in un procariota sono svolte da regioni specifiche della membrana plasmatica.
Forma e dimensioni delle cellule
Come per i procarioti, anche negli eucarioti esiste una certa varietà di forme cellulari. In linea di massima (anche se con le dovute eccezioni) possiamo dire che la forma di una cellula dipende dal tipo di cellula e non dall’organismo nel quale si trova. Quindi cellule che svolgono la stessa funzione in organismi anche molto diversi tra loro hanno approssimativamente la stessa forma. Alcune cellule hanno una forma propria, determinata da una struttura interna chiamata citoscheletro, altre invece modificano la propria forma in risposta alla pressione esercitata dall’ambiente esterno. Esistono cellule tondeggianti, allungate, appiattite, cubiche, o con forme estremamente irregolari, provviste di prolungamenti, ramificazioni ecc... Esistono cellule che possono cambiare forma (es. fibre muscolari, che possono contrarsi, e quindi si accorciano e si allungano a seconda delle necessità), cellule che mantengono sempre la stessa forma (e sono la maggioranza), cellule che sembrano cambiare forma ma in realtà no (è solo un “artefatto”, cioè una apparente alterazione dovuta alle metodiche di indagine), ma in generale possiamo affermare che la forma di una cellula è strettamente collegata alla funzione che deve svolgere.
Riguardo le dimensioni, il fatto che gli eucarioti siano più grandi dei procarioti è una necessità, legata al fatto che, possedendo un numero maggiore di strutture, devono avere lo spazio per poterle contenere tutte. Quindi evidentemente esiste un limite inferiore di dimensioni sotto al quale non si può andare senza compromettere il funzionamento della cellula. Nello stesso tempo, però, esistono anche dei limiti superiori. Infatti, come vedremo, il nucleo di una cellula rappresenta la “centrale operativa” che dirige tutte le operazioni all’interno della cellula stessa. Per far questo però è necessario che la distanza dal nucleo non sia eccessiva. Supponendo di collocare il nucleo al centro della cellula (il che è vero per molti tipi cellulari), una cellula molto grande si troverebbe con una “periferia” estremamente distante dal centro, con grandi difficoltà per il nucleo di poterla controllare. Si parla in questi casi di rapporto nucleo/plasmatico e si dice che questo valore non deve essere troppo piccolo, cioè in altri termini il volume del citoplasma non deve essere troppo grande rispetto al volume del nucleo. Esistono poi degli stratagemmi che le cellule adottano per ovviare al problema delle eccessive dimensioni, che a volte sono necessarie, e che esamineremo in seguito.
C’è poi una seconda considerazione da fare. Aumentando il diametro della cellula (che per semplicità intenderemo come una sfera) vengono aumentati il suo volume e la sua superficie. Ma mentre la superficie in una sfera è proporzionale al quadrato del raggio, il volume è proporzionale al cubo, per cui aumentando il raggio il volume aumenterà più rapidamente della superficie. Vedremo che una cellula ha la necessità di scambiare materia con l’esterno (viene definita termodinamicamente un “sistema aperto”) e che questo compito di scambio è assegnato alla membrana plasmatica, che sta sulla superficie. Finché la cellula è piccola, la membrana plasmatica è in grado di garantire una sufficiente quantità di scambi con l’esterno per soddisfare tutto il volume. Ma se le dimensioni aumentano, le richieste di scambi (che saranno proporzionali al volume interno) diventeranno troppo onerose e la membrana plasmatica non sarà in grado di soddisfarli. In questo caso parliamo di rapporto volume/superficie. Anche in questo caso il valore non deve allontanarsi troppo da un valore ottimale. In generale più il valore V/s è basso, più la cellula è efficiente. Vedremo in seguito alcune strategie adottate da qualche tipo cellulare per abbassare il rapporto volume/superficie.
Esattamente come per la forma, anche le dimensioni di tipi cellulari affini sono sostanzialmente le stesse in tutti gli organismi. Tanto per capirci, una cellula di fegato dell’elefante è simile, per forma e per dimensioni, alla cellula di fegato di un topo, nonostante le differenti dimensioni non solo dei due animali tra loro, ma anche tra i relativi fegati.
Un po’ di terminologia metabolica
Abbiamo fin qui definito grossolanamente cellule eucariotiche e procariotiche sulla base di forma, dimensioni e caratteristiche strutturali. Ma una altrettanto importante suddivisione è quella che distingue le cellule in autotrofe ed eterotrofe. Premesso che questa suddivisione si sovrappone a quella eucarioti/procarioti, nel senso che possono esistere cellule eucariote autotrofe o eterotrofe, così come possono esistere cellule procariote autotrofe o eterotrofe, definiremo autotrofe (letteralmente “che si nutre da sè”) quelle cellule che per il loro fabbisogno energetico non hanno bisogno di assumere molecole organiche dall’ambiente esterno, ma se le producono in proprio a partire da composti inorganici ed energia. L’esempio più rappresentativo è quello degli organismi fotosintetici, che come abbiamo detto si producono il glucosio a partire da acqua ed anidride carbonica, sfruttando la luce del Sole. Oltre a questi, ne esistono altri che seguono vie diverse, e che vengono chiamati chemioautotrofi o chemiolitotrofi (“mangiatori di pietra”. Gli organismi appartenenti a questo gruppo sono sostanzialmente batteri, e le fonti di energia possono essere le più varie. Alcuni utilizzano l’idrogeno, altri il ferro, oppure l’ammonio (NH4+), i nitriti (NO2-), lo zolfo, oppure molecole organiche come il metanolo, il metano o la formaldeide. Ognuno di questi gruppi di organismi sarà quindi in grado di svolgere una o più reazioni specifiche, ovviamente enzimaticamente catalizzate.
Gli organismi che invece classifichiamo come eterotrofi, hanno bisogno, per nutrirsi, di molecole organiche prelevate dall’ambiente, perché da soli non sono in grado di prodursele. Organismi quali animali e funghi appartengono a questo gruppo.
La classificazione degli organismi viventi
Sulla base di quanto abbiamo detto appare ormai chiaro che sulla Terra esistono numerose forme di vita differenti, e molte se ne stanno ancora scoprendo. Un problema che già molti anni fa i biologi si erano posti consiste proprio nel cercare di mettere ordine in questa molteplicità di forme, tentando cioè di raggruppare gli organismi viventi sulla base di caratteristiche comuni, in altre parole di classificare gli organismi viventi e posizionarli in modo conforme alle loro somiglianze: più vicini quelli più simili e più lontani quelli più diversi. Il compito di classificare gli organismi è assegnato ad una disciplina che prende il nome di sistematica. Questa scienza prende origine da uno scienziato svedere, Linneo1, che nel ‘700 si dedicò ad assegnare un nome a tutte le specie viventi note a quel tempo. Egli adottò un sistema di classificazione basato su due nomi, uno che si riferiva alla specie, e l’altro che si riferiva al genere (nomenclatura binomia).
Oggi, tutti gli organismi viventi noti sono inseriti in specifiche “categorie”, chiamate taxa, sulla base delle loro somiglianze. Fino a qualche decennio fa la tassonomia (cioè la sistemazione nei taxa) era fatta sostanzialmente su base morfologica. Si prendevano due esemplari appartenenti a specie diverse, e se ne esaminavano i particolari anatomici, fino a trovare un punto di divergenza. Poi ognuno veniva inserito in un gruppo sulla base delle somiglianze con altri esemplari. Con il progredire degli studi genetici, la tassonomia basata sulle differenze anatomiche sta cedendo lentamente il passo ad una classificazione basata sulle differenze genetiche, cioè, come vedremo, sulle differenze nella sequenza di DNA tra due organismi, espressa in termini percentuali. Più la percentuale di differenza è alta, più si ritiene che questi due organismi siano evolutivamente diversi.
La classificazione degli organismi viventi oggi comunemente accettata tende a suddividerli in taxa sempre più ristretti, sulla base di un numero crescente di caratteristiche comuni, andando da regni, phyla, classi, ordini, famiglie, generi e specie. In pratica all’interno di ogni regno, gli organismi che ne fanno parte avranno una serie di caratteristiche comuni a tutti, ma differiranno per altre, per cui sulla base di queste differenze verranno classificati in diversi phyla, all’interno dei quali gli organismi saranno “più simili” tra loro di quanto non lo siano con gli organismi di altri phyla. E così via, all’interno dello stesso phylum ci saranno organismi con differenze rispetto ad altri, considerando altre caratteristiche, e li raggrupperemo in classi diverse ecc...
Una correzione abbastanza recente a questo schema, che sta lentamente prendendo piede, prevede l’aggiunta di una ulteriore categoria, quella dei dominii (o superregni, o imperi). Secondo questa distinzione, esistono 3 dominii (eubatteri, archeobatteri, eucarioti). Gli eucarioti sono suddivisi in 4 regni: animali, piante, funghi, protisti, mentre gli altri due dominii non hanno ulteriori suddivisioni in regni. All’interno di ogni regno ci saranno poi diversi phyla: per gli animali per esempio abbiamo 35 phyla diversi.
Vediamo quindi a titolo di esempio come viene classificato l’uomo:
dominio
eucarioti
regno
animali
phylum
cordati
classe
mammiferi
ordine
primati
famiglia
ominidi
genere
homo
specie
sapiens
Come osservare le cellule: microscopio ottico ed elettronico, principi di funzionamento
Non è possibile osservare direttamente le cellule ad occhio nudo, salvo poche eccezioni. Per comprendere meglio questo aspetto è necessario introdurre il concetto di limite di risoluzione (o potere di risoluzione). Il potere di risoluzione di un qualsiasi strumento (compreso l’occhio umano) si definisce come la minima distanza che deve esserci tra due punti vicini affinchè possano essere visti come distinti e non come un unico punto. Vediamo di chiarirci facendo un esempio. Il potere di risoluzione dell’occhio umano è di circa 200 lm, il che significa che noi possiamo distinguere ad occhio nudo come separati solo oggetti che distano tra loro almeno 200 mm. Pertanto, se la distanza tra due punti fosse per esempio di 100 mm, noi non vedremmo due punti ma un punto unico. Allo stesso modo, per poter vedere un oggetto, è necessario che questo abbia una dimensione (la lunghezza, oppure il diametro se fosse sferico) di almeno 200 m. Le cellule eucariotiche, che come sappiamo sono più grandi delle procariotiche, hanno comunque dimensioni comprese tra qualche micron e qualche decina, con poche eccezioni, di conseguenza si trovano per la massima parte al di sotto del limite di risoluzione dell’occhio.
E’ necessario quindi ricorrere a strumenti che consentano di “ingrandire” le cellule in modo che diventino visibili. Il più semplice tra questi strumenti è la lente. L’immagine che si forma utilizzando una lente ha tre caratteristiche fondamentali: 1) è ingrandita, cioè ha dimensioni maggiori dell’oggetto reale; 2) è diritta, cioè ha lo stesso orientamento dell’oggetto reale. Se per esempio l’oggetto che sto osservando fosse una freccia, la punta della freccia nell’immagine ingrandita si troverà dalla stessa parte dell’oggetto reale. 3) è virtuale, cioè si forma dalla stessa parte, rispetto alla lente, dove si trova l’oggetto.
Quanto abbiamo affermato vale in realtà solo in alcuni casi particolari, ma rimandiamo ai corsi di fisica per l’approfondimento dei dettagli ottici della questione.
La lente consente di effettuare modesti ingradimenti degli oggetti osservati, ad esempio 10x (si legge “10 per” e sta ad indicare il numero di quante volte l’immagine ingrandita è più grande dell’oggetto reale. Se ingrandiamo un oggetto di 100 am con una lente 10x, si formerà un immagine grande 1 mm).
Nella maggior parte degli studi biologici, l’ingrandimento che si ottiene con una lente non è sufficiente, per cui si ricorre a strumenti più sofisticati, che sono i microscopi. Esistono in realtà molti tipi di microscopi differenti, i primi ad essere inventati e quelli ancora oggi largamente più diffusi sono i microscopi ottici. Il microscopio ottico è semplicemente un sistema di due lenti, una chiamata obiettivo (quella che poniamo vicino all’oggetto da osservare) e l’altra chiamata oculare (quella che poniamo vicino all’occhio dell’osservatore).
In pratica quindi il fenomeno dell’ingrandiment che si verifica con una lente, avviene due volte. L’oculare infatti raccoglie l’immagine formata dall’obiettivo e la ingrandisce ulteriormente. Pertanto il potere di ingrandimento di un microscopio si otterrà dal prodotto degli ingrandimenti dell’oculare e dell’obiettivo (ad esempio se l’oculare fosse 10x e l’obiettivo 5x, otterremo un ingrandimento totale di 50x). Da quanto detto appare chiaro che potremo ottenere l’ingrandimento totale moltiplicando tra loro qualsiasi valore, ad esempio avendo un obiettivo che ingrandisce molto ed un oculare che ingrandisce poco, oppure viceversa. Se volessimo un ingrandimento 400x potremmo fare 10x l’oculare e 40x l’obiettivo, o viceversa. Le due soluzioni non sono equivalenti. Poiché l’oculare raccoglie l’immagine formata dall’obiettivo è necessario che quest’ultima sia la più nitida possibile. Per questo motivo conviene usare obiettivi a forte ingrandimento combinati con oculari ad ingrandimento minore, piuttosto che il contrario. Un’immagine infatti sarà tanto migliore non solo quanto più è grande, ma anche e soprattutto quanto più è informativa, cioè contiene un elevato numero di dettagli. Gli oggetti che osserviamo sono infatti normalmente piccoli e vicini, e quello che ci interessa osservare non è un’unica enorme struttura, ma due strutture che restano distinte.
Il microscopio ottico comune si basa sulla capacità di ciò che stiamo osservando (e che chiameremo preparato istologico, cioè una porzione di tessuto tagliata in fette sottili e sistemata su di un vetrino) di essere attraversato dalla luce ed assorbire in modo selettivo le diverse lunghezze d’onda che caratterizzano la luce visibile. E’ noto dalla fisica infatti, che la lunghezza d’onda di quelle radiazioni elettromagnetiche che chiamiamo luce visibile è compresa tra circa 350 nm e circa 750nm, corrispondenti la prima al blu-violetto e la seconda al rosso. In mezzo sono compresi tutti i colori riscontrabili nell’arcobaleno. Le lunghezze d’onda inferiori a 350 nm si trovano nel campo dell’ultravioletto (UV), quelle superiori a 750 nm si trovano nell’infrarosso (i.r.). La lunghezza d’onda viene anche indicata dalla lettera greca l (lambda).
Lo schema di funzionamento di un microscopio ottico è quindi relativamente semplice. La sorgente luminosa (luce bianca) viene posta al di sotto del preparato che si vuole osservare. Questo preparato è stato tagliato a strisce sottili mediante uno strumento chiamato microtomo, colorato con uno dei sistemi di colorazione esistenti per le cellule2 (che vedremo in seguito) e nel momento in cui viene posto sul microscopio viene attraversato dalla luce. Questa luce viene raccolta dall’obiettivo, si forma un’immagine e questa viene a sua volta raccolta dall’oculare, che forma una seconda immagine che raggiunge l’occhio dell’osservatore.
Un principio simile è sfruttato anche da altri tipi di microscopi, che sono i microscopi elettronici. I microscopi elettronici si dividono in due gruppi: microscopi elettronici a trasmissione (TEM) e microscopi elettronici a scansione (SEM). I primi funzionano sostanzialmente come i microscopi ottici, con alcune differenze legate al fatto che la luce è sostituita da un fascio di elettroni e che al posto delle lenti troviamo dei condensatori, in grado di generare campi magnetici tali da dirottare i fasci elettronici. Inoltre l’immagine non si forma nell’occhio dell’osservatore, ma su di uno schermo o su di una lastra fotografica.
In generale quindi sia i microscopi ottici che i TEM ci consentono di vedere “attraverso” le cellule, cioè di osservare le strutture all’interno. I SEM invece, sfruttando un meccanismo leggermente diverso, nel quale il fascio elettronico non arriva da sotto, ma da sopra, colpisce la superficie, viene riflesso e raccolto, ci consentono di vedere “sopra” le cellule, cioè come è fatta la superficie esterna.
Oltre a questi due tipi fondamentali di microscopio, ne esistono molti altri, che derivano da modifiche rispetto al piano di costruzione generale, e che servono per scopi particolari. Tra questi citiamo il microscopio a contrasto di fase, il microscopio ad interferenza, il microscopio a luce polarizzata, il microscopio a fluorescenza. Per la trattazione specifica di questi strumenti rimandiamo però a corsi specialistici.
Limite di risoluzione del microscopio
Come già detto, la qualità di un microscopio non dipende tanto da quanto riesce ad ingrandire, ma da quanti dettagli è in grado di mostrare, o, per dirla meglio, dal suo potere di risoluzione. Il limite di risoluzione dipende da vari fattori, quali la diffrazione della luce da parte della lente, la diffrazione da parte dell’oggetto, la lunghezza d’onda della luce utilizzata per l’osservazione, l’indice di rifrazione del mezzo che si trova tra l’oggetto e l’obiettivo. Vediamo di spiegare come e perché questi fattori incidono nel determinare il potere risolutivo. La diffrazione è definita comunemente come l’interferenza che si crea nella luce quando questa viene a contatto con un ostacolo. E’ chiaro quindi che nel momento in cui la luce attraversa il campione o entra nella lente subisce una diffrazione. Questa distorsione dell’immagine è parzialmente risolvibile aumentando l’apertura delle lenti.
La dipendenza del limite di risoluzione dalla lunghezza d’onda è esprimibile mediante una semplice formula, che si può scrivere come
in cui:
d = potere di risoluzione
d = lunghezza d’onda della luce utilizzata
a.n. = apertura numerica
L’apertura numerica del microscopio sarà definita dalla relazione
a.n. = n*sin a
in cui n è l’indice di rifrazione del mezzo interposto tra oggetto e obiettivo ed i corrisponde alla metà dell’angolo di apertura, cioè l’angolo entro il quale i raggi luminosi entrano nella lente. Nella maggior parte dei microscopi il mezzo interposto è l’aria, il cui indice di rifrazione è 1.
L’angolo di apertura dipende da come è fatta la lente e da come è fatto il microscopio, ed il suo valore massimo è 180°. Di conseguenza la metà corrisponderà a 90° e pertanto, essendo sin 90° = 1, il valore dell’apertura numerica di un siffatto microscopio sarà 1.
Facciamo ora un esempio numerico. Supponiamo di usare per un dato microscopio luce a 550 nm, e che a.n. sia uguale a 1. Il potere di risoluzione sarà quindi d = 0,61*550 nm = 335 nm = 0,335 im. Come si vede il valore ottenuto è ben al di sotto delle dimensioni delle cellule eucariotiche e circa confrontabile con quelle delle più piccole tra le cellule procariotiche. Pertanto questo microscopio sarà adeguato per osservare le cellule, e ci consentirà anche di riconoscere alcune tra le sue strutture interne.
Per migliorare il potere di risoluzione del microscopio potremo operare in due modi, ma in entrambi i casi i miglioramenti ottenibili sono limitati: 1) diminuire la lunghezza d’onda della luce. Con particolari filtri si può selezionare la luce blu ed usare quella. Avendo n più bassa otterremo una diminuzione del limite di risoluzione. 2) aumentare l’apertura numerica. Per ottenere questo possiamo o variare il mezzo, ad esempio utilizzando olio (indice rifrazione = 1,4) o variare l’angolo di apertura.
In ogni caso il microscopio ottico ha dei limiti strutturali che non ci consentono di andare oltre un certo valore. Un buon microscopio è in grado di arrivare a ingrandire 1000x, oltre i quali ingrandimenti maggiori sono possibili, ma senza aggiungere ulteriori dettagli all’immagine.
Per raggiungere risultati migliori occorre utilizzare microscopi elettronici, che consentono di abbassare il limite di risoluzione fino a circa 10Å
Difetti del microscopio
La qualità di un microscopio dipende anche molto dalle lenti utilizzate, le quali, interagendo fisicamente con la luce, causano delle distorsioni che non possono essere eliminate ma solo limitate ricorrendo a sistemi di lenti particolari e molto sofisticati (e di conseguenza molto costosi, il che ne limita l’impiego a microscopi impiegati in particolari settori di ricerca e non certo in ambiti didattici).
I raggi luminosi che attraversano una lente sono deviati in un punto detto fuoco, che rappresenta il punto in cui tutti i raggi che attraversano quella lente dovrebbero convergere. In realtà questo non sempre accade, ed il motivo è legato a particolari aberrazioni dovute alle lenti.
Le principali aberrazioni imputabili alle lenti sono:
Aberrazione CROMATICA: le diverse lunghezze d’onda formano immagini a distanze diverse dalla lente, pertanto si formano immagini non precise, confuse e colorate sui bordi.
Aberrazione SFERICA: i raggi che incidono in punti diversi della lente sono deviati in punti diversi. Se incidono alla periferia delle lente sono deviati più vicino (cioè prima del fuoco), se incidono al centro sono deviati più lontano (oltre il fuoco). Questo accade perché la superficie della lente non è retta ma sferica.
Differenza cromatica di ingrandimento: le immagini nei diversi colori non hanno le stesse dimensioni. E’ risolvibile ricorrendo ad un particolare oculare che si chiama compensatore.
Curvatura di campo: le immagini si formano a distanze diverse a seconda di quanto ci si allontana dall’asse ottico3. Anche questa è risolvibile con un ottica molto costosa che si chiama ottica planare.
1 In realtà la classificazione degli organismi ha radici molto più antiche, ma Linneo fu il primo che la effettuò in modo scientifico, confrontando gli organismi tra loro in modo, appunto, “sistematico”.
2 La colorazione è necessaria perché le cellule sono sostanzialmente trasparenti alla luce ed il contrasto sarebbe troppo basso da renderle riconoscibili.
3 L’asse ottico è quell’asse che passa per il centro della lente e per i fuochi.
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