LA CELLULA LA CELLULA 13/10/16. Esistono in natura cellule diverse

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1 LA CELLULA è la più piccola unità strutturale e funzionale della materia vivente capace di esistenza indipendente LA CELLULA BIOTECNOLOGIE Introduzione 2 TUTTE LE CELLULE PRESENTANO: Esistono in natura cellule diverse una regione nucleare contenente l acido desossiribonucleico (DNA), molecola in cui sono immagazzinate tutte le informazioni necessarie alla crescita e alla riproduzione cellulare E. coli un citoplasma, luogo in cui avviene la sintesi delle proteine e di tante molecole necessarie ai meccanismi di crescita e di riproduzione; la conversione dell energia derivante dal catabolismo delle sostanze trofiche in energia di legame Ameba Proteus Cellula vegetale Globulo rosso umano una membrana cellulare che contiene il protoplasma; essa racchiude la vita Le cellule sono organizzate in tessuti (gruppi di cellule che adempiono una medesima funzione). Diversi tipi di tessuti, uniti strutturalmente e coordinati nelle loro attività, formano gli organi. Il corpo umano è composto da circa 100 mila miliardi di cellule (1014), di oltre 200 tipi diversi, classificate in quattro tipi di tessuti: 1) epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4) nervoso. 1

2 Dimensioni delle cellule Le cellule hanno (quasi tutte) dimensioni molto piccole. Ad es. una cellula di E.coli ha un volume di 2x10-12 ml. Vi sono anche cellule molto grandi come ad es. l acetabularia (un alga unicellulare lunga 5 cm!). 7 8 Le cellule batteriche sono lunghe circa 2 µm, mentre quelle di animali superiori circa µm. Perché le cellule non sono più piccole o più grandi di come le conosciamo? La risposta è che non possono essere più piccole perchè le molecole costitutive che formano la loro sostanza organica hanno dimensioni ben definite e determinate dalla grandezza degli atomi di C, H, O, N. Poiché un certo numero di diverse biomolecole sono necessarie per la vita, se le cellule fossero più piccole, esse dovrebbero essere costituite da atomi più piccoli. Inoltre, esiste un altra ragione: le cellule piccole possono muoversi senza aiuti meccanici o elettrici Dividendosi periodicamente la cellula riesce a mantenere abbastanza COSTANTE il RAPPORTO SUPERFICIE/ VOLUME e di conseguenza il suo tasso metabolico. D altra parte le cellule non possono essere più grandi perchè la velocità del loro metabolismo verrebbe limitata dalla velocità di diffusione delle molecole di nutrienti. Quindi deve esistere un rapporto ottimale tra superficie e volume della cellula (che è maggiore nei corpi piccoli rispetto a quelli più grandi di uguale forma). In conclusione: Il rapporto superficie/volume di qualsiasi corpo solido di forma costante diminuisce con l aumentare delle sue dimensioni. Questo principio è noto come EFFETTO SCALA

3 VIRUS NON SONO CLASSIFICATI TRA I VIVENTI POICHE : PRESENTANO UNA COMPLETA ASSENZA DI STRUTTURE CELLULARI NON HANNO UN METABOLISMO PROPRIO BATTERIOFAGO Consistono di un acido nucleico circondato da un rivestimento proteico. Hanno dimensioni di macromolecole biologiche che variano da 5 a 300 nanometri Vengono classificati in base alla presenza di DNA o di RNA oppure vengono classificati in accordo alla dimensione e alla forma, alla natura del rivestimento proteico e al numero di unità strutturali identiche nel loro nucleo. batteriofagi - virus che infettano i batteri. Virus 13 Virus 14 I virus si possono replicare solo a spese della cellula ospite. Riconoscono cellule specifiche, il DNA o l RNA virale dettano la sintesi di nuove molecole, vengono rilasciati nuovi virus dalla cellula ospite, alcuni possono mutare molto rapidamente. L immunità diventa molto difficile Virus 15 Virus 16 Prioni PRIONI dall'inglese prion (PRoteinaceus Infective ONly particle) - sembrano parti di proteine che causano malattie, sempre fatali, negli animali e negli esseri umani. - Gli animali posseggono un gene che codifica per un prione, una proteina che generalmente è innocua. - Probabilmente in seguito a mutazioni nel gene, essa modifica la conformazione, diventa insolubile e si accumula nel tessuto cerebrale di pazienti affetti da encefalopatie spongiformi trasmissibili come BSE bovina (encefalopatia spongiforme bovina) - A differenza di virus e batteri, i prioni rimangono intatti anche dopo una cottura a 360 C per oltre un'ora Virus 17 Esistono due grandi TIPOLOGIE di cellule: CELLULE PROCARIOTICHE E CELLULE EUCARIOTICHE che rappresentano i costituenti di tutti gli organismi viventi raggruppati nei 6 Regni (5 secondo la classificazione di Wittaker). 18 3

4 PROCARIOTI Cellule procariotiche sono le cellule più semplici e più piccole, nonché le prime ad essere state originate nella evoluzione biologica: un batterio fossile di 3,5 miliardi di anni fa è stato rinvenuto in Australia. Le cellule eucariote (o eucariotiche) hanno avuto origine un miliardo di anni più tardi, sono molto più grandi e complesse e mostrano grande varietà. Il termine procariota (dal greco Karyon, nocciolo, nucleo), significa prima del nucleo mentre eucariota significa con un nucleo ben formato Nei procarioti il materiale genetico é localizzato nel cosidetto corpo nucleare o nucleoide, molto irregolare e non circondato da membrana. Gli eucarioti invece posseggono un nucleo altamente sviluppato e complesso circondato dal rivestimento nucleare costituito da due membrane. 21 STRUTTURA CELLULA PROCARIOTICA Nucleoide: regione dove si trova il DNA Ribosomi: Sintesi polipeptidi Membrana plasmatica: racchiude i batteri Citoplasma : Luogo del metabolismo Pili: Permettono ai batteri di aderire alle superfici e tra loro Parete cellulare: fornisce supporto e protezione Glicocalice: rivestimento esterno gelatinoso Flagelli: permettono ai batteri di muoversi (a) Un tipico batterio a forma di bastoncello (b) Una micrografia elettronica di Escherichia coli 24 4

5 CARATTERISTICHE CELLULARI DEI PROCARIOTI PROCARIOTI I procarioti comprendono piu di 3000 specie di batteri (alcuni dei quali patogeni) e le alghe blu-verdi o cianobatteri. Questi organismi si dividono in due grandi gruppi (DOMINI): gli archeobatteri e gli eubatteri. La parete cellulare impedisce al batterio di gonfiarsi quando le concentrazioni di metaboliti al suo interno diventano maggiori di quelle dell esterno. Tale squilibrio fa salire la pressione osmotica anche a 20 atm e la cellula scoppierebbe senza la parete cellulare. Gli archeobatteri (scoperti in ambienti inospitali) possono vivere fino a temperature di 360 C. La parete cellulare è costituita da peptidoglicano Peptidoglicano Definito anche mucopeptide COLORAZIONE DI GRAM batterico o mureina e struttura rigida di catene glicaniche di NAM e NAG Fu messo a punto nel 1884 dal medico danese Hans Joachim Christian Gram, e mette in evidenza proprietà fondamentali della parete cellulare dei microrganismi: Capacità dei GRAM-POSITIVI di trattenere il colorante basico data dalla quantità di peptidoglicano (mureina) contenuto nella parete cellulare. I GRAM-NEGATIVI presentano invece una parete più sottile ricca di lipopolisaccaridi e lipoproteine. legate con legami trasversali medianti ponti tetrapeptidici NAM: Acido N-acetilmuramico! NAG: Nacetilglucosamina! Legame Beta (1-6) Legame Beta (1-4) scisso dal lisozima o muraminidasi prodotto dai granulociti, macrofagi e PMNL A seconda del tipo di parete i batteri si distinguono in Gram-positivi e Gram-negativi Gram positivi Gram negativi 5

6 Confronto tra la parete cellulare di batteri gram positivi (A) e gram negativi (B) PARETE CELLULARE GRAM PARETE CELLULARE GRAM - Lipopolisaccaride (LPS) E presente solo nei batteri gram negativi: è l ENDOTOSSINA, fattore di virulenza che caratterizza l azione patogena dei gram negativi All interno della parete cellulare si trova la membrana plasmatica (o membrana cellulare) costituita da un doppio strato lipidico attraversato da proteine che rendono la membrana selettivamente permeabile per il trasporto delle sostanze nutritive dall esterno all interno e dei prodotti di rifiuto dall interno all esterno. In alcuni batteri procarioti la membrana cellulare contiene clorofilla per la fotosintesi. LA MEMBRANA CELLULARE Steroli (colesterolo) assenti sostituiti da terpenoidi con la stessa funzione di stabilizzazione e compattamento

7 LA MEMBRANA CELLULARE La parte delimitata da membrana plasmatica: CITOPLASMA. IL CITOSOL rappresenta la parte acquosa del citoplasma nel quale sono sospesi tutti i componenti cellulari; è un fluido altamente viscoso perchè è costituito per il 50% da proteine. In mancanza di organuli, È SEDE DEL TRASPORTO DI ELETTRONI E PRODUZIONE DI ENERGIA (no mitocondri). E sede di proteine di trasporto, pompe ioniche ed enzimi! Una cellula di E.coli contiene circa 2000 molecole diverse tra amminoacidi, grassi, nucleotidi, vitamine, sali, carboidrati e proteine Inoltre, le cellule procariote posseggono UN SOLO CROMOSOMA costituito da un unica molecola di DNA circolare a doppio filamento, fortemente avvolto su se stesso NEL NUCLEOIDE. La riproduzione avviene esclusivamente per RIPRODUZIONE ASESSUATA. 39 CROMOSOMA BATTERICO PLASMIDI I PLASMIDI: - sono da 1/20 a 1/100 della dimensione del cromosoma - contengono relativamente pochi geni - si replicano indipendentemente dal cromosoma - si possono integrare nel cromosoma batterico ( EPISOMI) - informazioni plasmidiche non essenziali per la sopravvivenza della cellula - conferiscono un vantaggio selettivo alle cellule che li possiedono - possono essere perduti dal batterio 40 CITOPLASMA Struttura fibrillare costituita per l'80% da acqua MANCANO mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi, cloroplasti, organuli cellulari Sono presenti proteine analoghe a quelle del citoscheletro delle cellule eucariotiche; intervengono nella divisione cellulare e contribuiscono alla forma della cellula INCLUSIONI Amido e glicogeno: polimeri di unità di glucosio riserva di carbonio e di energia Cianoficina: riserva di azoto e di energia in molti cianobatteri Granuli di zolfo nei solfobatteri: riserva di zolfo ed energia Clorosomi: sede dell'apparato fotosintetico dei batteri verdi PRESENTI Ribosomi: particelle di RNA e proteine che intervengono nella sintesi delle proteine Può contenere inclusioni di natura organica e inorganica rappresentano in genere sostanze di riserva 41 7

8 Il MESOSOMA SINTESI PROTEICA Ribosomi, presenti in circa , sono composti da due subunita che formano un complesso di 70S, si presentano in grappoli: POLISOMI Il MESOSOMA è una porzione della membrana citoplasmatica invaginata, punto di ancoraggio e duplicazione del DNA batterico 43 Escherichia coli (E.coli) 44 Si può muovere ad una velocità molto elevata di 50 µm/sec per cui essendo lungo solo 2 µm percorrere in un secondo uno spazio 25 volte superiore alla sua lunghezza. In paragone un uomo alto 2 mt. dovrebbe correre a 5O metri al secondo! E un batterio gram-negativo che si trova nell intestino dell uomo ed è il più studiato. Ha un diametro di circa 1 µm ed una lunghezza di circa 2 µm. Può dividersi ogni min a 37 C in un terreno di coltura contenente glucosio, sali ammonici e minerali. E. coli, come tutte le cellule procariote si riproduce in maniera asessuata, cioè quando raggiunge delle dimensioni circa doppie del normale si divide in due cellule figlie identiche. Esso possiede oltre ai flagelli anche i pili e le fimbrie: i primi servono alla coniugazione ed i secondi alle cellule di aderire alla superficie. FLAGELLI dei batteri : sono organi di locomozione. Sono costituiti da una proteina detta Flagellina dotata di potere antigenico Cellula ca Centrosoma: Luogo dove si originano i microtubuli e si trovano i centrioli. Poro nucleare: Via di passaggio delle molecole dal nucleo e viceversa Nucleo: Organizzazione ed espressione del materiale genetico Involucro nucleare: Doppia membrana che racchiude il nucleo Involucro nucleare: Doppia membrana che racchiude il nucleo Nucleo: Organizzazione ed espressione del materiale genetico Poro nucleare: Via di passaggio delle molecole dal nucleo e viceversa Vacuolo centrale: deposito e regolazione del volume cellulare RE ruvido: Sintesi, selezione e secrezione proteica Nucleolo: Luogo di assemblaggio dei ribosomi RE liscio: Detossificazione e sintesi lipidica Lisosoma: Degradazione di macromolecole Perossisoma: Degradazione del perossido di idrogeno e di altre molecole tossiche Apparato di Golgi: Modificazione, selezione e secrezione di lipidi e proteine Citoplasma: Luogo di molte reazioni metaboliche; biosintesi delle proteine RE ruvido: Sintesi, selezione e secrezione proteica Citoplasma: Luogo di molte reazioni metaboliche; biosintesi delle proteine Membrana plasmatica: Movimento di sostanze dall interno della cellula e viceversa; segnalazione cellulare Citoscheletro: Forma e movimento Nucleolo: Luogo di assemblaggio dei ribosomi Cromatina: Complesso di proteine e DNA Cromatina: Complesso di proteine e DNA Mitocondrio: Luogo di sintesi dell ATP RE liscio: Detossificazione e sintesi lipidica Membrana plasmatica: Movimento di sostanze dall interno della cellula e viceversa; segnalazione cellulare Mitocondrio: Luogo di sintesi dell ATP Parete cellulare: Sostegno alla cellula Cloroplasto: Luogo della fotosintesi Citoscheletro: Forma e movimento Apparato di Golgi: Modificazione, selezione e secrezione di lipidi e proteine Perossisoma: Degradazione del perossido di idrogeno e di altre molecole tossiche 8

9 Cellula ca animale e vegetale 49 PARETE CELLULARE 50 NUCLEO - Presenti in cellule batteriche, fungine e vegetali - Nei vegetali strati multipli di cellulosa, legati ad altre molecole con legami crociati RETICOLO ENDOPLASMATICO RETICOLO ENDOPLASMATICO È un vasto sistema membranoso (2/3 di tutte le membrane della cellula) che è organizzato in estesi sistemi di membrane e sacculi interconnessi fra loro Lo spazio comune all interno del Reticolo Endoplasmatico si chiama lume ed occupa fino al 10% del volume totale della cellula Il Reticolo Endoplasmatico può essere liscio (REL) o rugoso (RER) Il Reticolo Endoplasmatico rugoso è caratterizzato da popolazioni di Ribosomi che sono legati alla superficie citosolica del reticolo 53 - Ribosomi - Sintesi ed assembla ggio proteine - Metabolismo ac.grassi, fosfolipidi, steroidi - Reazioni di detossificazione 54 9

10 RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO REL è abbondante in alcune cellule specializzate Solitamente regioni di RER si alternano con zone di REL Vi sono cluster dove questa alternanza è molto evidente: il Reticolo endoplasmatico di transizione E stato dimostrato che in corrispondenza di queste zone di transizione avviene la gemmazione di vescicole che trasportano le proteine neosintetizzate ed i lipidi verso il corpo di Golgi CARATTERISTICHE DEL REL REL E STORAGE DEL CA ++ Nel REL avviene la sintesi di colesterolo e degli ormoni steroidei A livello degli epatociti avviene la sintesi di: Lipoproteine Detossificazione (Via Citocromo P-450) delle molecole liposolubili e di numerosi composti tossici dal normale metabolismo cellulare Il REL sequestra ioni calcio dal citosol e li rilascia in seguito a stimoli di signalling (Calcium Reuptake) Nel lume del REL sono presenti molte proteine che legano ioni calcio All interno delle cellule muscolari è presente un tipo particolare di REL: il reticolo sarcoplasmatico che è specializzato nel reuptake degli ioni calcio APPARATO DI GOLGI - Costituito da cisterne membranose separate tra loro - 3 zone: cis, trans e mediale; numerose vescicole di trasporto - elabora, seleziona e modifica proteine (soprattutto glicoproteine) - le rilascia in vescicole secretorie verso specifiche destinazioni 59 10

11 CITOSCHELETRO LISOSOMI - Vescicole con enzimi litici e ph acido presenti nelle cellule animali - Degrada macromolecole esogene ed endogene 62 LISOSOMI PEROSSISOMI Immagine al microscopio confocale di una cellula in cui i perossisomi sono evidenziati in verde, i mitocondri in rosso e il nucleo in azzurro. 2) La doppia membrana avvolge l organulo per 1) La membrana inizia a racchiudere l organulo formare un autofagosoma 3) L autofagosoma si fonde con un lisosoma 4) Il contenuto è degradato e riciclato verso il citoplasma Immagine al Microscopio elettronico di perossisomi 64 PEROSSISOMI PEROSSISOMI I perossisomi sono organelli di forma solitamente sferica dal diametro di 0,5-0,7 m. Sono circondati da una singola membrana e si trovano nel citoplasma di tutte le cellule eucariotiche in un numero che varia da uno (nei lieviti) a centinaia, ad esempio nelle cellule renali o epatiche dei mammiferi. Le principali funzioni dei perossisomi sono: Detossificazione: nei perossisomi vengono degradate sostanze nocive introdotte negli organismi, quali: alcol etilico, alcol metilico, fenoli, nitriti, xenobiotici. Rimozione dei radicali liberi e ROS: in collaborazione con enzimi citoplasmatici i perossisomi provvedono a rimuovere i radicali liberi e le forme reattive dell Ossigeno (ROS) che si formano durante le normali attività metaboliche della cellula. Ossidazione degli acidi grassi: in tutti gli eucarioti, eccetto i mammiferi, i perossisomi costituiscono il solo sito in cui avviene l ossidazione degli acidi grassi. Nei mammiferi, nei perossisomi inizia la degradazione degli acidi grassi a catena lunga (C ) o ramificati fino alla produzione di acidi grassi a catena corta (C 12 ) o lineari, che vengono degradati ad acetilcoenzima A nei mitocondri

12 VACUOLI PEROSSISOMI - Come - Funzione i mitocondri utilizzano O2 - Vescicole con enzimi perossidativi (formano H2O2), reazione di detossificazione importante nel fegato - H2O2 è degradato in seguito e trasformato in H2O - Importanti nel catabolismo dei grassi. Nei mammiferi, la ßossidazione avviene sia nei mitocondri che nei prossisomi. - sintesi fosfolipidi presenti nella mielina - Nelle piante si chiamano gliossisomi (sede del metabolismo per trasformare grassi in zuccheri) 67 lisosomiale per piante, funghi, protisti - Presenti anche in animali - Nelle piante cresce in dimensioni con la crescita cellulare accumulando acqua e prodotti tossici - Importanti nei processi degradativi e nel mantenimento del turgore cellulare MITOCONDRI 68 CLOROPLASTI - Sede della respirazione aerobica - Dimensioni e numero variabili (2-4 micrometri) - Membrane esterna ed interna, spazio intermembrana, matrice, creste mitocondriali - Selettività delle membrane - Contengono un proprio genoma e ribosomi x la sintesi proteica - Coinvolti anche in stress ossidativo e apoptosi - Funzione fotosintetica - Pigmenti:carotenoidi e clorofille - Dimensioni e numero variabili (5-10 micrometri) - Due membrane delimitano lo stroma - Nello stroma tilacoidi MITOCONDRI E CLOROPLASTI 12