Cos è la vita? Devono modificare il proprio assetto chimico e le loro attività per rispondere ai cambiamenti ambientali

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1 Biologia studio della vita Cos è la vita? atomi e molecole che si comportano in accordo alle stesse leggi fisiche Gli organismi viventi devono acquisire energia e materia dall ambiente circostante per: la costruzione di nuove molecole biologiche crescere in dimensioni mantenere e riparare le proprie parti corporee dare origine alla progenie Devono modificare il proprio assetto chimico e le loro attività per rispondere ai cambiamenti ambientali

2 I sistemi viventi sono organizzati secondo una gerarchia Livello più basso organizzazione biologica Molecole biologiche complesse livello più basso considerate da sole non sono vive

3 I sistemi viventi contengono le istruzioni chimiche che controllano la loro struttura e la loro funzione, cioè possiedono un programma genetico ed i mezzi per utilizzarlo Proprietà delle cellule Sono capaci di ottenere energia dall ambiente circostante ed utilizzarla per il proprio sostentamento

4 Si adattano ai cambiamenti ambientali attraverso il mantenimento di una condizione stazionaria interna grazie a risposte che compensano i cambiamenti dell ambiente esterno: omeostasi (rimanere identico) Si riproducono e si sviluppano, stadi che nel loro insieme costituiscono il ciclo vitale

5 Le popolazioni degli organismi si modificano da una generazione all altra : evoluzione biologica Anche le cellule evolvono: linguaggio genetico identico progenitore comune: diversa complessità

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7 Unità di misura in Biologia Cellulare Le cellule si misurano in MICROMETRI ( simbolo μm ) cioè un millesimo di millimetro, quindi sono visibili solo al microscopio. Le strutture subcellulari in NANOMETRI (nm) non visibili all ottico. il nostro occhio riesce a percepire come separati due punti se distano almeno 0.2 mm la distanza minima a cui due punti sono ancora distinguibili è chiamato potere di risoluzione il valore di 0.2 mm viene quindi definito come il limite di risoluzione dell occhio umano

8 DIAMETRO La maggior parte delle cellule misura micrometri (μm) (spermio 2 micron; cellula uovo 120 micron; uovo di struzzo 15 cm) 15µm questo valore è inferiore al limite di risoluzione del nostro occhio. anche nel caso delle cellule piu grandi non siamo in grado di distinguere alcun dettaglio, poiché gli organelli interni hanno dimensioni dell ordine del micrometro o inferiori

9 Dimensioni e ordine di grandezza. 4 Å 0,25 µm 0,2 mm

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11 Un microscopio ottico moderno

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13 il potere di risoluzione (r) del microscopio ottico e limitato dalla lunghezza d onda della luce (λ). semplificando r = λ/2 λ della luce visibile = nm r = 400/2 = 200 nm = 0.2 µm quindi un organello intracellulare, di dimensioni inferiori al µm puo essere solo intravisto, senza comprenderne i dettagli il microscopio ottico ha un limite di risoluzione di circa 0.2 µm, (mille volte superiore a quello del nostro occhio). Quindi un ingrandimento utile di circa 1000 x permette quindi di riconoscere la forma delle cellule e di individuarne alcuni dei dettagli più grandi (es. il nucleo) possiamo costruire un microscopio ottico più potente, per poter osservare i dettagli più piccoli?

14 possiamo certamente costruire un microscopio da 2000 ingrandimenti o molto di più, ma i risultati non sarebbero migliori di quelli di un microscopio da 1000 ingrandimenti il limite reale è dato dal potere di risoluzione ( 0.2 µm) mille volte rispetto al nostro occhio (0.2 mm). quindi ingrandimento utile massimo = circa 1000 x Un globulo bianco a circa 1000 ingrandimenti Dettaglio della stessa cellula a circa 5000 ingrandimenti Aumentando l ingrandimento oltre i 1000 x non aumentano i dettagli, cioè non aumenta l informazione

15 I microscopi costruiti da Hooke ( ), che si avvalevano di nuovi sistemi ottici e di un nuovo sistema di illuminazione, gli permisero una serie di scoperte esposte nel libro Micrographia: da risultati sull'anatomia degli insetti alla famosa scoperta, nel sughero, di quelle cavità, separate da pareti, che chiamò 'cells' (cellule). 15

16 Anton van Leeuwenhoek ( ) - First to see the "New World" of microscopic life. Autodidatta, è soprattutto conosciuto per le migliorie apportate al microscopio e per avere posto le basi della biologia cellulare e della microbiologia, scoprendo i protozoi nel 1674 e successivamente anche i globuli rossi e gli spermatozoi. 16

17 Matthias Schleiden ( ) Theodor Schwann ( ) Rudolf Virchow, 1858 La nascita della teoria cellulare: Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule Le cellule compiono tutte le funzioni proprie degli esseri viventi e sono le unità base di tutti gli organismi Tutte le cellule originano da cellule preesistenti 17

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19 Lenti magnetiche condensatore obiettivo intermedia proiettiva catodo anodo Microscopio elettronico a trasmissione filamento oggetto Gli elettroni emessi dal filamento e accelerati dalla d.d.p. tra anodo e catodo sostituiscono i raggi luminosi; le lenti magnetiche sostituiscono le lenti Ottiche λ : 0,05 A (5000 A microscopio ottico) Potere di risoluzione: 4A schermo fluorescente o pellicola fotografica pompe per vuoto

20 Microscopi elettronici a trasmissione (TEM)

21 Microscopio elettronico a scansione (SEM)

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25 Microscopio ottico immagine a colori Microscopio elettronico immagine bianco/nero Lo stesso tipo cellulare fotografato al microscopio ottico ed elettronico. Stesso ingrandimento ma diverso potere di risoluzione.

26 dettaglio al microscopio elettronico di un mitocondrio (uno dei granuli visibli nel citoplasma dell immagine precedente) 1 µm

27 Dimensione media cellule eucariotiche 15 µm perché le cellule sono cosí piccole? principalmente per 3 fattori: 1) RAPPORTO SUPERFICIE/VOLUME 2) VELOCITA' DI DIFFUSIONE MOLECOLARE 3) NECESSITA DI CONCENTRAZIONI ADEGUATE

28 1) RAPPORTO SUPERFICIE/VOLUME: l'area superficiale è una misura di quanta membrana cellulare è disponibile per l'assunzione e per l'escrezione. il volume di una cellula aumenta con il cubo del diametro della cellula, la superficie aumenta solo del quadrato del diametro: se il diametro è 3 il volume sarà 27 e la superficie 9 (rapporto 9/27=0,33); se il diametro è 2 il volume sarà 8 e la superficie 4 (rapporto 4/8=0,50). Quindi il rapporto superficie/volume aumenta al diminuire della dimensione della cellula: in pratica cellule piccole hanno relativamente più membrana per effettuare gli scambi.

29 2) VELOCITA' DI DIFFUSIONE MOLECOLARE: le molecole si spostano attraverso il citoplasma ad una velocità tanto più bassa quanto più grande è la molecola. Perciò soprattutto grandi molecole impiegherebbero troppo tempo per spostarsi da una parte all'altra della cellula se questa fosse troppo grande, rallentando il metabolismo. 3) NECESSITA' DI CONCENTRAZIONI ADEGUATE: enzimi e substrati devono essere presenti in concentrazioni elevate nella cellula affinchè possano urtarsi (gli urti sono casuali) e interagire. Altrimenti le reazioni avverrebbero troppo lentamente. Se la cellula fosse più grande sarebbe necessario un numero molto più elevato di queste molecole per ottenere gli stessi risultati

30 Grandi organismi: molte cellule Le cellule di un Mammuth non sono più grandi di quelle di una formica

31 perché le cellule 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. Poichè 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. Dividendosi periodicamente la cellula riesce a mantenere abbastanza costante il rapporto superficie/volume e di conseguenza il suo tasso metabolico.

32 La cellula è l unità morfologica e fisiologica fondamentale degli organismi La sostanza vivente esiste a diversi livelli di organizzazione In ordine crescente di complessità vi sono: 1. I Virus 2. Le cellule dei Procarioti 3. Le cellule degli Eucarioti

33 VIRUS (tossina) i virus sono parassiti intracellulari obbligati sono forme di vita latenti che devono sfruttare gli apparati cellulari di un altro organismo le cellule infettate sono batteri, cellule animali o vegetali. al di fuori della cellula ospite sono inerti ed inattivi sono invisibili al microscopio ottico (25nm 300nm) non possono essere considerati come cellule perché: 1. non hanno nucleo 2. non hanno citoplasma 3. non hanno membrana plasmatica sono costituiti da un acido nucleico avvolto a spirale circondato da un involucro proteico (capside) Vi sono due tipi di virus: 1. A DNA 2. A RNA

34 VIRUS: morfologia e dimensioni H1N1 HIV

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36 Viroidi : piccole molecole di RNA circolari, incapaci di codificare proteine, privi di capside Non esistono in forma libera Interferiscono nel processi di trascrizione e maturazione degli RNA Prioni: particelle proteiche infettive Scrapie capre Kuru popolazione Nuova Guinea malattia della mucca pazza nei bovini negli uomini encefalopatia spongiforme trasmissibile Sono versioni strutturali anomale di proteine normali, forse interagisce con i recettori di superficie dei neuroni Diffusione infettiva del ripiegamento anomalo delle proteine (Prusiner, Nobel 1997)

37 Procarioti - si dividono in eubatteri ed archeobatteri - archeobatteri caratterizzazione molecolare e biochimica affine agli eucarioti. comprendono metanobatteri, alobatteri, solfobatteri e termoacidofili - sono microrganismi unicellulari (1 μm), capaci di vita autonoma - unico filamento di DNA circolare, privo di proteine associate - ribosomi - membrana plasmatica - mesosomi

38 Il procariota: - non ha organuli cellulari specializzati - non ha sistema membranoso interno - no membrana limitante tra il cromosoma ed il citoplasma (da qui il nome pro-karyon, prima del nocciolo) sono circondati da una parete rigida e porosa costituita da peptidoglicano che forma una rete impermeabile e che può essere disgregata dalla penicillina si riproducono asessulamente per scissione trasversale del citoplasma, preceduta dalla duplicazione dell anello di DNA

39 Cellula eucariotica comprendono organismi unicellulari (funghi, protozoi, alcune alghe) ed organismi pluricellulari (alghe, piante, animali) hanno una complessa struttura interna suddivisa in due compartimenti: uno centrale detto nucleo ed uno periferico detto citoplasma che lo avvolge si dividono per mitosi sono presenti organismi sessuati con processi formanti gameti: meiosi

40 200 tipi di cellule che differiscono profondamente, tutte con una copia identica di DNA Differenziamento processo mediante il quale le cellule somatiche di un organismo, inizialmente identiche, in quanto derivate da un unico progenitore comune, lo zigote, acquisiscono caratteristiche DIFFERENZIALI, sia morfologiche che funzionali.