La cellula: è l unità fondamentale della vita

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2 La cellula: è l unità fondamentale della vita Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule: è la cellula la più piccola porzione organizzata di materia che possiede le caratteristiche della vita.

3 La scoperta delle cellule e la teoria cellulare Nel diciottesimo secolo il matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese Robert Hooke ( ), usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il suo attuale significato, cioè «unità di base della materia vivente», soltanto 150 anni dopo la scoperta di Hooke. Nel 1838 Matthias J. Schleiden ( ), un botanico tedesco, giunse alla conclusione che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule. Nell anno seguente lo zoologo tedesco Theodor Schwann ( ) estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi. Nel 1858 l idea che tutti gli organismi fossero formati da una o più cellule assunse un significato ancora più ampio quando l anatomopatologo tedesco Rudolf Virchow ( ) affermò che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti. «Quando una cellula esiste, ci dev essere stata una cellula preesistente, proprio come un animale si origina solo da un animale e una pianta si origina solo da una pianta».

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5 Secondo l attuale formulazione, la teoria cellulare stabilisce semplicemente che: tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule; le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione dell energia e le reazioni di biosintesi, hanno luogo dentro le cellule; le cellule si originano da altre cellule; le cellule contengono le informazioni ereditarie degli organismi di cui fanno parte, e queste informazioni passano dalla cellula madre alla cellula figlia.

6 si autoregola scambia materia ed energia con l ambiente CELLULA si riproduce si può evolvere

7 Le cellule possono essere divise in due classi principali, in base alla presenza o meno di un nucleo ben definito. Le CELLULE PROCARIOTICHE (i batteri) mancano di un involucro nucleare ed il loro materiale genetico (compattato nel nucleoide) è immerso nel citoplasma, non contengono organelli circondati da membrane. Le cellule procariotiche sono tipiche solo dei batteri. Le CELLULE EUCARIOTICHE possiedono invece un nucleo che racchiude il materiale genetico all interno dell involucro nucleare, separandolo così dal citoplasma.

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9 La teoria endosimbiontica spiega la comparsa delle cellule eucariote Gli organismi costituiti da cellule procariote sono stati l unica forma di vita sul nostro pianeta prima della comparsa di quelli formati da cellule eucariote. Molti biologi pensano che il passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote sia stato un evento estremamente significativo nella storia della vita sulla Terra, secondo solo, per importanza biologica, alla nascita delle prime semplici forme di vita. Attualmente, vi sono diverse teorie sul modo in cui questo passaggio potrebbe essere avvenuto. Una delle più accreditate è la teoria endosimbiontica formulata verso la fine degli anni Ottanta del secolo scorso dalla genetista statunitense Lynn Margulis; secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. La teoria viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l uno all interno dell altro. I processi che hanno portato alla comparsa delle prime cellule eucariote sono stati sicuramente molto lenti; si calcola, infatti, che siano occorsi circa 2 miliardi di anni per passare dalle prime cellule procariote alla comparsa (circa 1,5 miliardi di anni fa) di una cellula che presentasse un nucleo delimitato da una membrana. Origine della vita e teorie evolutive Zanichelli

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11 Le cellule hanno piccole dimensioni Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume; ciò consente alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l esterno adeguata per il passaggio di nutrienti e scarti. Numero e misure dei cubi Area totale Volume totale Rapporto area/volume per ogni cubo 1 cubo, 4 cm di lato 96 cm 2 64 cm 3 1,5/1 8 cubi, 2 cm di lato 192 cm 2 64 cm 3 3/1 64 cubi, 1 cm di lato 384 cm 2 64 cm 3 6/1 Volumi ridotti Superfici più ampie Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

12 Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

13 Il microscopio ottico composto (LM) si avvale della luce e di un sistema di lenti per ingrandire le immagini. Il limite di risoluzione è di 0,2 μm. Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM), il campione è investito da un fascio di elettroni (lunghezza d onda minore della luce). Le immagini sono quindi a risoluzione più fine: il TEM più potente arriva a 0,1 nm. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) raccoglie e mette a fuoco gli elettroni che sono dispersi dalla superficie del campione, generando un immagine tridimensionale. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

14 microscopia

15 Le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono due strutture comuni: la membrana plasmatica; il citoplasma. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

16 La cellula procariota La cellula procariota è organizzata per garantire la sopravvivenza di organismi molto semplici, con minime richieste energetiche, e non risulta specializzata nel compiere funzioni particolari. Tutto il volume cellulare è occupato da un liquido di consistenza gelatinosa (il citoplasma), in cui sono immersi tuti i costituenti chimici della cellula, e dei piccoli organuli (ribosomi), deputati alla sintesi delle proteine. Il materiale genetico (DNA) si trova fluttuante nel citoplama, in una regione priva di una membrana che la delimiti (non esiste un nucleo vero e proprio). Esiste invece una struttura rigida di protezione e di contenimento, la parete cellulare, che la separa dall ambiente esterno. membrana cellulare regione nucleare citoplasma ribosomi parete cellulare

17 I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA COCCHI BACILLI SPIRILLI

18 La cellula eucariota La cellula eucariota è un tipo di cellula molto più voluminosa e complessa della cellula procariota. Al suo interno lo spazio è organizzato in settori cui compete una certa funzione in modo da assicurarne la sopravvivenza e la riproduzione. Le diverse regioni all interno della cellula sono delimitate da membrane interne. In particolare, una membrana (membrana nucleare) delimita il nucleo, in cui si trova il materiale genetico (DNA) che presiede al controllo di tutte le attività della cellula stessa. La cellula eucariota possiede inoltre numerosi organuli, in alcuni dei quali hanno luogo i processi metabolici fondamentali : nei ribosomi, ad es.,avviene la sintesi delle proteine; i mitocondri sono la sede della respirazione cellulare mitocondri citoplasma membrana nucleare membrana cellulare Reticolo endoplasmatico con ribosomi nucleo

19 ESISTONO DUE TIPI FONDAMENTALI DI ORGANIZZAZIONE CELLULARE CELLULA PROCARIOTE CELLULA EUCARIOTE m Dimensioni Involucro nucleare Parete cellulare Organelli cellulari delimitati da membrana Vacuoli Ribosomi Citoscheletro Mitosi con cromosomi e fuso Riproduzione sessuata m /-

20 Tre strutture fondamentali Le cellule presentano differenti forme, perché svolgono funzioni diverse. Le cellule delle piante e degli animali presentano caratteristiche diverse, ma tutte le cellule sono costituite da tre componenti fondamentali: - La membrana cellulare che le ricopre completamente - Il citoplasma, che è un materiale gelatinoso contenuto all interno della cellula - Il nucleo, che è una massa tondeggiante, che dirige tutte le funzioni delle cellule.. Le cellule eucariote (vegetali o animali che siano) contengono, inoltre, numerosi organelli: mitocondri, vacuoli, lisosomi, ribosomi e altri.

21 La membrana cellulare La membrana cellulare detta anche membrana plasmatica, è molto sottile e avvolge completamente la cellula. Svolge le funzioni di - Protezione - Scambio di sostanze fra cellula e ambiente o cellula e cellula - Adesione fra cellule - Riconoscimento di messaggeri La membrana è formata da un due strati di fosfolipidi, ossia da molecole con una testa idrofilica rivolta verso l esterno e due code idrofobiche rivolte verso l interno. All interno di questo doppio strato nuotano proteine di varia dimensione e collocazione: alcune attraversano completamente il doppio strato e «sporgono» verso l esterno e verso l interno della membrana.

22 La membrana cellulare

23 La membrana cellulare Alcune proteine integrali sono delle glicoproteine, sporgono verso l esterno presentando all ambiente circostante catene di carboidrati che svolgono un ruolo importante nell adesione fra cellule e nel riconoscimento di molecole esterne quali ormoni, messaggeri, anticorpi e virus.

24 La membrana cellulare Le molecole più piccole, come l acqua e l anidride carbonica la attraversano liberamente, mentre molecole più grandi, quali quelle del glucosio, non sono in grado di attraversarla. La membrana compie un azione di selezione e decide quali molecole introdurre e quali no. La membrana apre o chiude alcuni canali e utilizza proteine di trasporto per regolare l accesso delle molecole di grandi dimensioni.

25 La cellula animale

26 La cellula vegetale

27 Il citoplasma o citosol è una soluzione acquosa di consistenza gelatinosa; occupa quasi tutto il volume della cellula. In questa soluzione sono sciolte piccole molecole come sali, aminoacidi, zuccheri e ATP oltre molecole più grandi quali le proteine. Queste molecole sono ad alta concentrazione nel citoplasma, mentre nell ambiente esterno la loro concentrazione è molto più bassa o addirittura assente. Circa metà del citoplasma è occupato da organelli gran parte dei quali circondati da membrane. Dentro il citosol alcuni organuli possono muoversi, ma la maggior parte di essi è ancorato a proteine strutturali appartenenti al citoscheletro che ne impediscono i movimenti. Il citoscheletro mantiene la forma della cellula, fissa gli organelli e permette alla cellula di muoversi. E una struttura dinamica di sostegno che si modifica a seconda delle esigenze della cellula. Il citoscheletro

28 Gli organelli Numerosi organelli (o organuli cellulari) presenti nel citoplasma, consentono alla cellula di svolgere tutte le funzioni necessarie per vivere. I principali organelli sono: i mitocondri, i ribosomi, il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso i vacuoli, i lisosomi

29 mitocondrio reticolo endoplasmatico centriolo ribosoma Apparato di Golgi lisosoma vacuolo

30 I mitocondri I mitocondri sono corpuscoli di forma allungata, simili ad un fagiolo, avvolti da una doppia membrana. I mitocondri svolgono la funzione di fornire energia alla cellula. Contengono proteine che completano la reazione di respirazione cellulare combinando zuccheri e ossigeno. I mitocondri sono le centrali energetiche delle cellule. In una cellula comune ci sono un migliaio di mitocondri, che vivono come inquilini, conservando le proprie informazioni genetiche, duplicandosi secondo un loro programma e parlando la propria lingua.

31 I mitocondri

32 La respirazione cellulare Quasi tutto il cibo e l'ossigeno che immettiamo nell'organismo, dopo essere stati elaborati, sono inviati ai mitocondri, che li convertono in una particolare molecola (ATP). E' l'atp che ci tiene in vita. Le sue molecole sono piccole batterie ricaricabili che si muovono all'interno della cellula fornendole energia. In ogni istante una cellula contiene circa un miliardo di queste molecole che in solo 2 minuti sono consumate e rimpiazzate subito da un altro miliardo. La formula della respirazione cellulare è la seguente: O2 + zuccheri CO2 +H2O ATP

33 I mitocondri demoliscono i carboidrati e producono ATP Gli organismi eucariotici producono energia (ATP) attraverso il processo della respirazione cellulare, che consente di liberare l energia immagazzinata nel glucosio usando ossigeno. La formula chimica della respirazione è: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + glucosio ossigeno anidride carbonica 6H2O acqua

34 La respirazione cellulare ha sede nei mitocondri. Essi sono suddivisi in comparti: la membrana esterna, lo spazio intramembrana, la membrana interna, le creste e la matrice. Il glucosio viene demolito nella matrice, mentre nelle creste si produce l ATP. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

35 I ribosomi sono corpuscoli disposti sulla superficie del reticolo endoplasmatico intorno al nucleo o liberi nel citoplasma. Svolgono la funzione di costruire le proteine necessarie alla cellula seguendo le indicazioni del DNA. Le materie prime per la costruzione delle proteine sono aminoacidi sparsi nel citoplasma. I ribosomi

36 Il reticolo endoplasmatico Il reticolo endoplasmatico è un sistema di canali che percorre tutta la cellula. Parte del reticolo è coperto di ribosomi che sintetizzano proteine e le immettono all interno dei canali. Il reticolo endoplasmatico svolge la funzione di sintesi, maturazione e accumulo delle proteine.

37 L apparato di Golgi

38 I vacuoli sono vescicole contenenti acqua e sostanze necessarie alla cellula. Svolgono il ruolo di accumulo e magazzino delle sostanze utili per la cellula. Nelle cellule vegetali possono rappresentare gran parte del citoplasma. I vacuoli

39 I lisosomi sono delle piccole vescicole contenenti proteine (enzimi) in gradi di distruggere tutte e sostanze che si trovino al loro interno. Svolgono la funzione di smaltire i rifiuti della cellula. Nei globuli bianchi, nei vacuoli vengono distrutti batteri e virus. I lisosomi

40 Il nucleo

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42 Tre strutture contraddistinguono una cellula vegetale Parete cellulare I cloroplasti La parete cellulare Un grandissimo vacuolo vacuolo cloroplasto

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44 I cloroplasti catturano l energia solare Le piante e le alghe usano l energia del Sole per produrre carboidrati (glucosio) e ossigeno a partire dall anidride carbonica e dall acqua, attraverso il processo della fotosintesi. La formula chimica della fotosintesi è: 6CO2 e producono carboidrati + 6H2O C6H12O6 + 6O2 anidride carbonica acqua glucosio ossigeno

45 Ogni cellula comunica con le cellule adiacenti Le cellule vegetali sono connesse tra loro tramite sottili canali, i plasmodesmi. Essi consentono lo scambio di materiali tra cellule adiacenti e, di conseguenza, tra tutte le cellule della pianta. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

46 Ogni cellula comunica con le cellule adiacenti Le cellule animali sono connesse tra loro tramite tre tipi di giunzioni: giunzioni di ancoraggio, o desmosomi; giunzioni occludenti, o serrate; giunzioni comunicanti, o giunzioni gap. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012