Fig.4.1 Cellula animale e organuli cellulari (da Hickman e Roberts, 2000).

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1 CAP. 4 La cellula come base della vita. Cellula animale e vegetale. Organuli cellulari: morfologia e funzioni. Componenti della cellula: I componenti chimici della cellula possono essere classificati in: componenti inorganici (acqua e ioni); componenti organici (proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi). Fig.4.1 Cellula animale e organuli cellulari (da Hickman e Roberts, 2000). 1

2 NUCLEO (Fig.4.2): è una struttura subsferica che contiene il materiale genetico, DNA, e che sintetizza l RNA messaggero, acido nucleico che, passando attraverso i pori dell involucro nucleare, trasporta al citoplasma le istruzioni genetiche per la sintesi delle proteine. Il nucleo contiene la cromatina, i nucleoli, il nucleoplasma. La cromatina è un complesso di DNA, proteine istoniche e non istoniche che contiene l informazione genetica della cellula. Il nucleolo è un organulo endonucleare, non limitato da membrana, contenente RNA e proteine; è il sito dove avviene la trascrizione dell rrna (RNA ribosomiale) e in cui vengono prodotte le subunità ribosomiali. Le due subunità di ogni ribosoma, una volta formate, passano, attraverso i pori nucleari, nel citoplasma, dove si combinano e diventano funzionanti. Nucleoplasma: è la sostanza semiliquida presente nel nucleo in cui sono in sospensione proteine, granuli e matrice nucleare. Matrice nucleare: - è una rete di fibre di interconnessione che forniscono i siti per l attacco degli enzimi che intervengono nella duplicazione del DNA. - serve a mantenere la forma del nucleo. Fig.4.2 Il nucleo (da Brum et al., 2000) 2

3 MEMBRANA NUCLEARE: - è una doppia membrana, con la stessa struttura della membrana cellulare, che separa il contenuto nucleare dal resto della cellula. - è solcata da pori che consentono il passaggio di sostanze che entrano o escono dal nucleo. Ad esempio i messaggi necessari per sintetizzare le proteine si formano nel nucleo e poi vengono trasportati attraverso i pori al citoplasma (vedi capitolo sulla sintesi delle proteine). Fig.4.3 Schema di una membrana cellulare (da Longo e Longo, 1987). MEMBRANA PLASMATICA o CELLULARE è la struttura che racchiude tutto il contenuto della cellula. Funzioni: forma una barriera esterna protettiva per la cellula vivente e consente, selettivamente, l entrata e l uscita di sostanze. Costituzione: la membrana plasmatica: 1. è formata da un doppio strato fosfolipidico attraversato da proteine; 2. presenta proteine che agiscono come porte, lasciando affluire ioni e composti vari; 3

4 3. presenta proteine che agiscono come siti recettori per il legame con gli ormoni; 4. presenta glicoproteine (proteine + oligosaccaridi) che: - se sono presenti sulla superficie esterna della membrana, formando il glicocalice, consentono il riconoscimento delle cellule; - se sono presenti sulla superficie interna della membrana forniscono siti di ancoraggio per le fibre che mantengono la forma della cellula; 5. contiene colesterolo, che la mantiene permeabile e flessibile. Gli organuli sono compartimenti specializzati presenti all interno della cellula nei quali si svolgono specifiche attività che non interferiscono con quelle esterne. RIBOSOMI: - appaiono al microscopio elettronico come granuli scuri; - sono organuli formati da due sub-unità composte da molecole di RNA e da proteine; - nella sintesi delle proteine assicurano il corretto allineamento fra gli amminoacidi che dovranno essere saldati assieme per formare la proteina; - un ribosoma funzionante è costituito da due sub-unità: una grande ed una piccola. Il ribosoma si assembla a partire dalle due sub-unità all inizio della sintesi proteica e poi si smonta quando la sintesi è stata completata; - il ribosoma assemblato ha un solco attraverso cui può muoversi la molecola di mrna (RNA messaggero), durante la sintesi proteica ed ha anche siti che posizionano le molecole di trna (RNA transfert), consentendo agli RNA transfert di collocarsi nella posizione esatta. - Si possono avere : RIBOSOMI LIBERI se sono liberi nel citoplasma (per cui le proteine prodotte da questi ribosomi, durante il processo di sintesi delle proteine, rimangono nel citoplasma). RIBOSOMI LEGATI se sono disposti sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido (in questo caso le proteine sintetizzate da questi ribosomi attraversano le membrane del reticolo e si accumulano nelle cisterne, per poi essere avviate successivamente verso altre destinazioni). 4

5 RETICOLO ENDOPLASMATICO: sistema complesso di membrane ripiegate e impilate, contenute nel citoplasma delle cellule eucarioti. Il reticolo endoplasmatico può essere di due tipi: Fig.4.4 Reticolo endoplasmatico ruvido (da Lawrence et al. 1996) 1. RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO (Fig.4.4) se presenta sulla superficie esterna delle membrane i ribosomi. 2. RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO: se le membrane del reticolo sono prive di ribosomi. E responsabile della sintesi di alcuni steroidi, come gli ormoni sessuali, e della regolazione della concentrazione dello ione calcio. Nel fegato il reticolo interviene nei processi di detossificazione, nel metabolismo dei lipidi e del colesterolo. - APPARATO DEL GOLGI: è un sistema di sacchi membranosi appiattiti, disposti in pile e di vescicole associate. All apparato del Golgi arrivano vescicole, contenenti proteine, che si staccano dal reticolo endoplasmico ruvido e si fondono con le membrane del Golgi scaricando il loro contenuto. Le sue funzioni sono: - riunire e concentrare proteine; - sintetizzare glicoproteine, aggregando proteine e glucidi; - formare l acrosoma degli spermi. 5

6 LISOSOMI: sono vescicole che gemmano dall apparato di Golgi e rimangono nel citoplasma; contengono enzimi idrolitici (digestivi) capaci di digerire macromolecole, introdotte per fagocitosi o pinocitosi, distruggere batteri o detriti estranei presenti nella cellula, distruggere organuli usurati o compromessi della cellula stessa. Sono tipici delle cellule animali. MITOCONDRI: sono strutture di forma allungata, delimitate da due membrane; la più interna si ripiega, formando delle invaginazioni dette creste mitocondriali che sporgono nella matrice mitocondriale (sostanza semiliquida). Funzione: gli enzimi localizzati sulle creste dei mitocondri consentono lo svolgimento della fase aerobica della respirazione cellulare, processo che produce, attraverso processi ossidativi, partendo dalle molecole organiche assunte con l alimentazione negli organismi eterotrofi o prodotte autonomamente negli organismi autotrofi, energia in forma di ATP (adenosintrifosfato), utilizzabile dalla cellula per svolgere tutte le sue attività. La prima fase della respirazione cellulare (fase anaerobia), si svolge nel citoplasma. CITOSCHELETRO(Fig.4.5): è un impalcatura interna che sostiene la forma della cellula formata da: da microtubuli microfilamenti filamenti intermedi che intersecano tutta la cellula. Funzione: quest armatura viene usata per ancorare e spostare gli organuli e per compiere movimenti. Il citoscheletro non è rigido poiché i filamenti che lo compongono possono modificare la loro reciproca posizione, rendendo possibili i movimenti. Fig.4.5 Il citoscheletro (da Lawrence et al 1996) 6

7 MICROTUBULI (Fig.4.6): sono strutture cilindriche cave la cui parete è costituita da subunità proteiche di tubulina. MICROFILAMENTI (Fig.4.6): sono pieni, più sottili e più flessibili dei microtubuli, sono polimeri della proteina contrattile actina. FILAMENTI INTERMEDI: sono fibre robuste simili a funi, formate da diverse proteine. Fig.4.6 Il citoscheletro: microtubuli, microfilamenti, filamenti intermedi (da Brum et al., 2000). I CENTRIOLI I centrioli sono due cilindretti cavi, disposti ad angolo retto, costituiti da 9 triplette di microtubuli di tubulina, una proteina contrattile, situati nel centro cellulare vicino al nucleo. Le loro funzioni non sono ancora ben chiare. Prima di ogni divisione cellulare si duplicano formando due coppe, ciascuna delle quali si sposta a un polo della cellula in divisione; dalla zona dei centrioli si dipartono i microtubuli del fuso mitotico. I centrioli sono due cilindretti cavi, disposti ad angolo retto, costituiti da 9 triplette di microtubuli di tubulina, una proteina contrattile, situati nel centro cellulare vicino al nucleo. Le loro funzioni non sono ancora ben chiare. Prima di ogni divisione cellulare si duplicano formando due copie, ciascuna delle quali si sposta ad un polo della cellula in divisione; dalla zona dei centrioli si dipartono i microtubuli del fuso mitotico. 7

8 I PEROSSISOMI Vengono anche chiamati microcorpi. Sono compartimenti delimitati da membrana che contengono gli enzimi necessari per il trasferimento dell idrogeno da vari substrati all ossigeno, con la formazione di perossido di idrogeno, da cui deriva il nome stesso degli organuli. Alcuni perossisomi utilizzano l ossigeno per scindere i grassi e per ridurli a molecole di dimensioni inferiori in modo da consentirne l entrata nei mitocondri, dove vengono impiegati come substrati per la respirazione cellulare. Hanno dimensioni comprese tra 0,15-1,2 µm; sono di solito di forma subsferica e spesso hanno un nucleo granulare o cristallino, formato probabilmente da un addensamento di enzimi. CIGLIA E FLAGELLI Le ciglia e i flagelli, strutture di movimento di protisti, animali e altri organismi, hanno alla base il corpo basale o blefaroblasto, con la stessa struttura del centriolo. Nei flagelli e nelle ciglia sono presenti 9 coppie più due centrali di microtubuli di tubulina, formanti una struttura unica rivestita dalla membrana cellulare. 8

9 4.2 La cellula vegetale Per cellula vegetale si intendono le cellule degli organismi appartenenti al Regno delle Piante (Plantae) e quelle delle Alghe che appartengono al regno dei Protisti (secondo lo schema di classificazione proposto da Whittaker e Margulis). La cellula vegetale differisce per alcune caratteristiche dalla cellula animale (possiede strutture ed organuli assenti nella cellula animale e non ne possiede altri presenti nella cellula animale) (Fig. 4.7 e 4.8). Fig. 4.7 La cellula vegetale (modif. da Purves et al., 2001) 9

10 Fig. 4.8 La cellula vegetale (modif. da Longo, 1997) PARETE CELLULARE La cellula vegetale (vedi Fig. 4.7) è circondata, oltre che dalla membrana plasmatica, anche dalla parete cellulare, costituita prevalentemente da cellulosa (la cellula animale è circondata solo dalla membrana plasmatica; le cellule di Funghi e Procarioti possiedono pareti cellulari, ma solitamente prive di cellulosa). E una struttura che riveste esternamente la membrana plasmatica, è semirigida ed è formata da polisaccaridi, il più abbondante dei quali è la cellulosa. Possiede i PLASMODESMI, canali rivestiti di membrana plasmatica che passano attraverso la parete cellulare; essi mettono in contatto il citoplasma di cellule adiacenti e consentono quindi la comunicazione tra cellule. Funzioni: - dare sostegno alla cellula; - controllare la forma della cellula e limitarne il volume; - controllare la permeabilità cellulare (essendo impermeabile, impedisce che entri troppa acqua, pur consentendo lo scambio di sostanze con l esterno, grazie ai plasmodesmi). 10

11 MICROTUBULI Nella cellula vegetale una loro importante funzione è quella di servire da impalcatura per la costruzione della parete cellulare. PLASTIDI Sono organuli presenti nelle cellule vegetali e in alcuni Protisti. Sono delimitati da due membrane e quella interna può ripiegarsi in modo complesso, fino a perdere il contatto con la membrana che lo ha generato. Ve ne sono di tre tipi: cloroplasti, cromoplasti, leucoplasti, che prendono il nome dal pigmento o dalle sostanze che contengono e quindi dal colore che assumono ( clorós = verde, cróma = colore, leucós = bianco). CLOROPLASTI Sono presenti nelle cellule degli organismi in grado di fotosintetizzare, ma solo in quelle che effettivamente svolgono la fotosintesi (quindi sono assenti, per esempio, nelle radici e nei fusti legnosi). Sono la sede esclusiva della fotosintesi. Contengono i pigmenti del gruppo delle CLOROFILLE e quindi appaiono verdi (Fig.4.10) Sono delimitati da una membrana esterna e da una membrana interna, separate da una camera. Contengono lo STROMA, una sostanza allo stato sol, in cui sono dispersi enzimi, ribosomi e un proprio DNA (come nei mitocondri). Immersi nello stroma ci sono numerosi GRANA (plurale di GRANUM ), collegati tra loro tramite lamelle di membrana. Ogni granum è composto da una pila di TILACOIDI, formazioni laminari (simili a sacchi appiattiti) che si originano dalla membrana interna (Fig. 4.9); sulla loro superficie esterna si trovano granuli di clorofilla (clorofilla a e clorofilla b) e di carotenoidi (le clorofille captano l energia luminosa e la trasferiscono alla molecola di NAD, che diventa NAD ridotto; quest ultimo, riossidandosi, libererà energia che verrà immagazzinata sotto forma di energia di legame nelle molecole di ATP). In assenza di luce i cloroplasti possono trasformarsi in depositi di amido. 11

12 Fig. 4.9 Cloroplasti (da AA.VV., 1997) Fig Cloroplasti al microscopio ottico - foglia di Elodea canadensis (da Caramiello Lomagno et al., 1989). 12

13 - CROMOPLASTI Sono organuli a doppia membrana di colore giallo o arancione-rosso per la presenza di pigmenti carotenoidi. Possono derivare dalla trasformazioni di cloroplasti alla fine della stagione vegetativa (e sono responsabili del colore autunnale alle foglie). - LEUCOPLASTI Sono organuli incolori che si trovano soprattutto nelle cellule degli organi di riserva (tuberi, radici, rizomi) e dei semi. Hanno funzione di accumulo di sostanze di riserva:al loro interno si depositano amido (il polisaccaride che costituisce la più abbondante e diffusa sostanza di riserva nelle cellule vegetali, mentre nelle cellule animali è il glicogeno) e talvolta lipidi o proteine, che vengono riutilizzate da queste cellule in caso di necessità da parte dell organismo. VACUOLI Si trovano quasi esclusivamente nella cellula vegetale, nelle cellule dei Protisti, in quelle dei Funghi e solo in alcune cellule animali (con dimensioni ridotte e diversa funzione). Sono vescicole disperse nel citoplasma, circondate da una membrana che delimita uno spazio contenente una soluzione acquosa, varie sostanze prodotte dal metabolismo della cellula e talvolta anche sali o sostanze organiche insolubili. Con la maturazione della cellula vegetale, i vacuoli si ingrandiscono e possono anche unirsi a dare un unico grande vacuolo centrale, che può occupare quasi tutto il volume cellulare (anche il 90%) (Fig. 4.7, 4.8 e 4.11). Funzioni: - accumulare acqua e sostanze di riserva; - accumulare sostanze di rifiuto (superflue o dannose) che non possono essere espulse facilmente, perché i vegetali non hanno un apparato escretore come gli animali; - contribuire al sostegno della cellula e darle turgore; - contribuire, grazie alla presenza di soluti che aumentano la pressione osmotica, all assorbimento di acqua dall esterno; - accrescere le dimensioni cellulari e quindi aumentare la superficie cellulare; - talvolta, contenere i pigmenti che determinano il colore di fiori, frutti e foglie. 13

14 Fig Vacuoli in cellula vegetale in tre stadi di sviluppo (da Caramiello Lomagno et al., 1989) GLIOSSISOMI Sono organuli che si trovano solo nelle cellule vegetali, soprattutto in piante giovani, in fase di accrescimento. Funzione: convertire i lipidi di riserva in idrati di carbonio, utili alla crescita cellulare. CIGLIA E FLAGELLI Sono assenti nelle cellule vegetali di alcuni gruppi di Piante (Angiosperme). CENTRIOLI Sono assenti nelle cellule vegetali di alcuni gruppi di Piante (Angiosperme). 14

15 4.3 Passaggio di molecole attraverso le membrane La membrana plasmatica presenta: proteine che regolano l ingresso e l uscita di sostanze selezionate un doppio strato lipidico che agisce come barriera, bloccando il passaggio della maggior parte delle molecole per l insolubilità nei lipidi. Il doppio strato fosfolipidico e le proteine incluse rendono la membrana plasmatica selettivamente permeabile, permettendo a certe sostanze di attraversare la membrana e limitando il passaggio di altre. La permeabilità selettiva è importante: permette ad una cellula di accumulare molecole essenziali a concentrazioni tanto alte quanto basta per il normale metabolismo. permette di espellere prodotti di rifiuto e sostanze che interferirebbero con il metabolismo. Il movimento di molecole può essere: 1. passivo: per diffusione 2. attivo : se il processo di trasporto richiede energia da parte della cellula. - DIFFUSIONE: è lo spostamento spontaneo di molecole da zone dove sono più concentrate a zone dove sono meno concentrate, fino al raggiungimento dell equilibrio. OSMOSI: diffusione dell acqua attraverso la membrana, dal settore a minore concentrazione di soluti verso il settore a maggiore concentrazione, fino al raggiungimento dell equilibrio. (l acqua diffonde facilmente attraverso il doppio strato lipidico della membrana, perché è una molecola piccola che si apre un varco tra i fosfolipidi adiacenti. DIFFUSIONE FACILITATA: è la diffusione di una sostanza attraverso la membrana da una regione a concentrazione più alta ad una a concentrazione più bassa. La diffusione facilitata avviene grazie a delle proteine presenti nella membrana plasmatica chiamate proteine di trasporto o carrier che legano sostanze specifiche come zuccheri e amminoacidi, sostanze che da sole sarebbero incapaci di attraversare il doppio strato lipidico idrofobo. 15

16 TRASPORTO ATTIVO: è il passaggio di molecole in senso contrario a quello del gradiente di concentrazione, per cui questo tipo di trasporto richiede energia, cioè ATP. Fig.4.12 Pompa Sodio-Potassio (da Longo e Longo, 1987). Altri tipi di trasporto: FAGOCITOSI: la cellula ingerisce grandi particelle, come batteri o pezzi di detrito. PINOCITOSI: una cellula ingerisce soluti liquidi e/o disciolti e piccole particelle in sospensione 16