La cellula. Teoria cellulare. Cellula. Organizzazione cellulare Come si studia la cellula

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1 La cellula Cellula Teoria cellulare Teoria cellulare Organizzazione e dimensioni della cellula Metodi di studio della cellula Cellule procariote ed eucariote Nucleo cellulare Organuli citoplasmatici Citoscheletro Involucri cellulari Membrane cellulari Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule Perché la cellula? Natura modulare degli organismi Patrimonio genetico contenuto all interno di ogni cellula Organizzazione cellulare Come si studia la cellula Ogni cellula ha bisogno di mantenere separato il proprio contenuto interno dall ambiente esterno. Di conseguenza ogni cellula è circondata da una membrana plasmatica Microscopio ottico e microscopio elettronico Da Figura 4-4 Solomon, Berg, Martin Da Figura 7-1 Campbell & Reece Da figura 41 Solomon, Berg, Martin 1

2 Dimensione delle cellule Cellule procariote ed eucariote Perché la maggior parte delle cellule è microscopica? mm Superficie totale (mm2) rapporto superficie/volume 400 Tutte le cellule condividono numerose strutture di base: sono tutte delimitate da membrana plasmatica, e all interno della membrana plasmatica vi è una sostanza semifluida detta citosol. Cellula procariota (nucleo rudimentale). Cellula eucariota (nucleo ben formato) n cubi Superficie Volume Cromatina Nucleolo 1 mm Mitocondrio Superficie volume La superficie della cellula deve permettere gli scambi con l ambiente esterno. A parità di volume complessivo, più cellule di piccole dimensioni garantiscono una superficie maggiore Sottosistema (il nucleo) Ribosoma Cloroplasto Sistema: la cellula Cellule procariote Cellule procariote Le cellule procariote non hanno nucleo né organelli delimitati da membrana. Sono più piccole di quelle eucariote : il loro diametro varia infatti da circa 0,30,5 micrometri a 1-10 micrometri. Tra gli organismi procarioti vi sono: i batteri, archebatteri. Da: a1/a1gp/quarta/page6.html Come confermano testimonianze fossili le cellule procariote sono più primitive di quelle eucariote. Secondo alcuni scienziati le cellule eucariote si sarebbero evoluto per simbiosi tra diversi procarioti. A sostegno di questa teoria vi è il fatto che la maggior parte dei procarioti ha circa le stesse dimensioni di alcuni organelli cellulari degli eucarioti. Inoltre alcuni procarioti attuali vivono all'interno di cellule eucariote come simbionti. Cellule procariote I procarioti si evolsero quasi sicuramente prima che l'atmosfera contenesse ossigeno. Infatti oggi alcuni batteri riescono a vivere anche in assenza di ossigeno. I procarioti rappresentano la parte più cospicua della biomassa terrestre, cioè delle forme viventi sulla terra. Le cellule eucariote sono caratterizzate dalla presenza di organelli delimitati da membrane. Vi si riconosce: un nucleo, che contiene il materiale ereditario (DNA); un gel omogeneo, detto protoplasma (citoplasma/nucleoplasma e parte liquida detta citosol); una serie di organelli (variano tra cellule animali e vegetali); un impalcatura di sostegno, il citoscheletro; una parete cellulare (almeno per piante, funghi e batteri) Da figure 4-7 e 4-8 Solomon, Berg, Martin 2

3 Tra cellule animali e vegetali si osservano numerose differenze Da figure 4-9 e 4-10 Solomon, Berg, Martin Il nucleo Il nucleo è l organulo più evidente della cellula (5µm). Attorno al nucleo vi è un involucro nucleare costituito da due membrane, che in alcuni punti si fondono formando i pori nucleari. L informazione della cellula è conservata sotto forma di DNA (sequenze di nucleotidi che contengono tutte le istruzioni per la produzione delle Da figure 4-11 Solomon, Berg, Martin proteine). Nel nucleo il DNA può replicarsi o trascrivere la sua informazione in molecole di RNA messaggero che passano nel citoplasma dove sono sintetizzate le proteine. Nel nucleo il DNA è associato con alcune proteine a formare la cromatina (struttura organizzata). Da Figura 7-8 Campbell & Reece Ribosomi Sistema endomembranoso Da Figura 7-10 Campbell & Reece Organuli non membranosi adibiti alla sintesi delle proteine.sono particelle costituite da RNA. Ogni ribosoma è costituito da due subunità. Si possono avere ribosomi liberi (sospesi nel citosol) e ribosomi legati al reticolo endoplasmatico Da Figura 7-9 Campbell & Reece Il labirinto di membrane interne che si osserva al microscopio elettronico è detto reticolo endoplasmatico. Sono membrane, a forma di sacche appiattite, che originano diversi compartimenti all interno del citoplasma. Si distingue. R.E. liscio, sede primaria del metabolismo dei fosfolipidi, degli steroidi e degli acidi grassi. R.E. rugoso (sulla sua superficie vi sono i ribosomi), svolge un ruolo primario nella sintesi e nell assemblaggio delle proteine. Figura 4-12 Solomon, Berg, Martin 3

4 Apparato di Golgi Lisosomi e perossisomi Il complesso del Golgi è costituito da pile di sacche membranose, dette cisterne. Il suo ruolo principale è quello di elaborare, selezionare e modificare le proteine. Da Figura 7-14 Campbell & Reece Il tipico percorso di una proteina destinata ad essere secreta dalla cellula è: sintesi della proteina sui ribosomi, aggiunta di una componente carboidratica nel R.E., passaggio nella superficie cis dell apparato del Golgi tramite vescicole di trasporto, ulteriori modifiche, trasporto dalla superficie trans del Golgi alla membrana plasmatica tramite vescicole, rilascio del contenuto dalla cellula I lisosomi sono piccole vescicole, piene di enzimi litici, disperse nel citoplasma. Gli enzimi che si trovano all interno dei lisosomi permettono di degradare molecole complesse. I perossisomi (altri organuli con membrana) permettono di catalizzare le reazioni nelle quali l idrogeno è trasferito dai vari composti dell ossigeno Figura 4-14 Solomon, Berg, Martin Vacuoli Nelle cellule vegetali (sono presenti anche in alcune cellule animali) c è un grande organulo, detto vacuolo che può contenere acqua di riserva, Sali pigmenti e rifiuti Mitocondri e cloroplasti Sono gli organuli predisposti per la trasformazione dell energia Da Figura 7-15 Campbell & Reece Figura 4-17 Solomon, Berg, Martin Cloroplasti I cloroplasti trasformano l energia luminosa in energia chimica mediante un processo fotosintetico. Mitocondri I mitocondri producono ATP attraverso il processo cellulare. Da Figura 7-18 Campbell & Reece Da Figura 7-17 Campbell & Reece 4

5 Citoscheletro E una struttura dinamica, costituita da tre tipi di filamenti: microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi Figura 4-20 Solomon, Berg, Martin Da Figura 7-20 Campbell & Reece Citoscheletro I microtubuli sono i filamenti più spessi del citoscheletro (diametro di 25 nm) e raggiungono la lunghezza di qualche µm. Sono costituiti da due proteine (α- β- tubolina che formano tra loro un dimero) Hanno una polarità Sono ancorati ad altre parti della cellula, e nelle cellule che non si stanno dividendo l estremità meno è ancorata ad una regione MTOC (Micro Tubule Organizing Center). Nelle cellule animali il MTOC principale è detto centrosoma, in cui vi sono due strutture dette centrioli che formano due cilindri cavi Figura 4-22 Solomon, Berg, Martin Involucro cellulare Nelle cellule vegetali si ha una parete cellulare (microfibre di cellulosa immerse in una matrice di altri polisaccaridi e di proteine). Le cellule animali non hanno pareti cellulari ma una matrice extracellulare (formata da glicoproteine prodotte dalla cellula) Da Figura 7-29 Campbell & Reece Proprietà delle membrane biologiche Le membrane biologiche sono costituite da fosfolipidi disposti in doppio strato e da proteine. I fosfolipidi hanno la caratteristica di essere molecole anfipatiche (cioè con una estremità idrofila e una idrofoba), e essendo disposti in doppio strato permettono di impermeabilizzare la cellula. Figura 5-1 Solomon, Berg, Martin Da Figura 7-28 Campbell & Reece Modello a mosaico fluido Membrana biologica Il modello a mosaico fluido suggerisce che le proteine siano disperse e immerse nel doppio strato fosfolipidico, che si trova in uno stato fluido. Figura 5-2 Solomon, Berg, Martin Figura 5-3 Solomon, Berg, Martin Figura 5-6 Solomon, Berg, Martin Figura 5-4 Solomon, Berg, Martin 5

6 Proteine di membrana Trasporto Le proteine di membrana possono essere integrali o periferiche. Sono orientate in maniera asimmetrica all interno del doppio strato. Hanno funzione di trasporto, di trasferimento dell informazione ed enzimatica. Trasporto passivo Diffusione Diffusione facilitata Trasporto attivo Figura 5-9 Solomon, Berg, Martin Da Figura 8-16 Campbell & Reece Diffusione e osmosi La diffusione semplice è un processo fisico basato su movimenti casuali. Quando si ha una differenza di concentrazione all interno di una soluzione le molecole del soluto tendono a diffondersi nel solvente fino ad avere una distribuzione uniforme. Osmosi è la diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile Figura 5-10 Solomon, Berg, Martin Bilancio idrico nelle cellule viventi Le pareti cellulari rigide di piante e batteri permettono una differenza di concentrazione (l interno della cellula è ipertonico rispetto all esterno). L acqua tende a entrare per osmosi, riempendo i vacuoli centrali e rigonfiando le cellule (si crea una pressione della pressione di turgore). Da Figura 8-12 Campbell & Reece Figura 5-13 Solomon, Berg, Martin Da Figura 8-11 Campbell & Reece Trasporto passivo (diffusione facilitata) La diffusione facilitata avviene secondo il gradiente di concentrazione. La membrana, può essere resa permeabile ad alcune sostanze (ioni o molecole polari) grazie ad una proteina di trasporto. Trasporto attivo (diffusione contro gradiente) Il trasporto attivo avviene quando gli ioni vengono trasportati contro il loro gradiente (richiede energia) Figura 5-15 Solomon, Berg, Martin Da Figura 8-14 Campbell & Reece 6

7 Esocitosi Endocitosi Particelle di grandi dimensioni vengono espulse dalla cellula per mezzo di vescicole Particelle di grandi dimensioni vengono inglobate nella cellula per mezzo di vescicole Figura 5-17 Solomon, Berg, Martin Da Figura 8-19 Campbell & Reece 7

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