B1 LA C E L L L U L A

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1 B1 LA C E L L L U L A

2 L A C E L L U L A La cellula è la più piccola unità strutturale e funzionale della materia vivente capace di esistenza indipendente.

3 Esistono in natura migliaia di cellule diverse; alcune di esse sono riportate nelle prossime figure:

4 E. coli Ameba Proteus Cellula vegetale (foglia di pioppo) Globulo rosso umano

5 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 100 mila miliardi di cellule (10 14 ), di oltre 200 tipi diversi, classificate in quattro tipi di tessuti: 1) epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4) nervoso.

6 Tessuti epiteliali: Sono costituiti da strati continui di cellule che formano un rivestimento protettivo su tutto il corpo e contengono terminazioni nervose sensoriali. Avvolgono ogni organo interno e costituiscono le membrane di rivestimento degli organi, delle cavità e dei canali. Inoltre, l epitelio gioca un ruolo molto importante nel regolare il movimento di entrata e di uscita dal corpo di molecole e ioni.

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9 Tessuti connettivi: Uniscono, sostengono e proteggono gli altri tre tessuti. Le cellule sono ampiamente separate tra di loro dalla matrice extracellulare ricca di fibre connettive e di sostegno come il collagene, fibre elastiche e reticolari. I principali tessuti connettivi sono: l osso, il sangue e la linfa.

10 SANGUE

11 CELLULE GERMINALI

12 Tessuto muscolare: Costituito da due tipi fondamentali: muscolo striato e muscolo liscio; il muscolo striato scheletrico (sotto controllo volontario) e cardiaco. Il muscolo liscio è quello dell apparato digerente, utero, vescica e vasi sanguigni. Il tessuto muscolare liscio e quello cardiaco sono involontari.

13 Tessuto nervoso: Le unità fondamentali del tessuto nervoso sono i neuroni (che trasmettono gli impulsi nervosi). Un secondo tipo di cellule sono le cellule gliali (che contengono i neuroni e sono dette nevroglia nel s.n.c. e cellule di Schwann fuori del s.n.c.)

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15 TEORIA CELLULARE Il termine cellula fu coniato per la prima volta nel 1665 da Robert Hook il quale osservando al microscopio composto (detto cosi perchè formato da più lenti) una fettina di sughero molto sottile si accorse che essa era tutta traforata e formata da tanti comparti separati da pareti cioè piccole stanze che chiamò cellule.

16 Successivamente l olandese Leeuwenhoek utilizzando il microscopio semplice (costituito da una sola lente ed un ingrandimento 200x), che a differenza di quello composto non dava aberrazioni sferiche e cromatiche, osservò e descrisse molte specie di protozoi, alghe e batteri. Ma dovettero passare più di 150 anni perchè Schleiden per i tessuti vegetali e Schwann per quelli animali enunciassero la teoria cellulare. Alcune loro concezioni si rivelarono successivamente errate ma essi erano perfettamente scusabili.

17 Schleiden sosteneva che la riproduzione cellulare era dovuta ad una sorta di gravidanza della cellula. Schwann riteneva invece che le cellule si originassero da pezzetti di tessuto nel liquido che si trova tra cellula e cellula. Finché nel 1859 Virchow coniò il famoso aforisma: Ogni cellula deriva da un altra cellula, valida ancora oggi. La moderna teoria cellulare può essere ricondotta a quattro affermazioni principali:

18 Tutta la materia vivente è formata da cellule; Tutte le cellule derivano da altre cellule; L informazione genetica è trasmessa da una generazione all altra; Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo avvengono all interno delle cellule.

19 Dimensioni delle cellule La tabella a destra riporta le più importanti unità di lunghezza internazionali. 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!).

20 Nella tabella a destra sono riportate le dimensioni di alcune piccole biomolecole (come l alanina ed il glucosio), di macromolecole (tre proteine ed un lipide), di strutture sopramolecolari (virus e ribosomi), di organelli cellulari (mitocondri e cloroplasti), di un batterio e di una cellula.

21 Le cellule batteriche sono lunghe circa 2 µm, mentre quelle di animali superiori circa µm. Perchè 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. 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. Inoltre, esiste un altra ragione: le cellule piccole possono muoversi senza aiuti meccanici od elettrici.

22 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.

23 Dividendosi periodicamente la cellula riesce a mantenere abbastanza costante il rapporto superficie/volume e di conseguenza il suo tasso metabolico. Esistono due grandi classi di cellule: PROCARIOTI ED EUCARIOTI che rappresentano i costituenti di tutti gli organismi viventi raggruppati nei 5 Regni (secondo la classificazione di Wittaker).

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28 PROCARIOTI I procarioti 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.

29 Le cellule eucariote hanno avuto origine un miliardo di anni più tardi, sono molto più grandi e complesse e mostrano grande varietà e differenziazione. Il termine procariota (dal greco Karyon, nocciolo, nucleo), significa prima del nucleo mentre eucariota significa con un nucleo ben formato. Quindi 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

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31 PROCARIOTI I procarioti comprendono circa 3000 specie di batteri (alcuni dei quali patogeni) e le alghe bluverdi o cianobatteri. Questi organismi vanno sotto il nome di monere. Le monere si dividono in due grandi gruppi: gli archeobatteri e gli eubatteri. Gli archeobatteri (scoperti in ambienti inospitali) possono vivere fino a temperature di 360 C.

32 Vi fanno parte i tiobatteri (anaerobi che vivono in ambiente fortemente acido), i batteri alofili (che vivono in ambiente fortemente salino), i batteri metanogeni (anaerobi che riducono la CO 2 a metano). Gli eubatteri comprendono i batteri gram-positivi, i mixobatteri, i batteri purpurei (paracoccus, E.coli e salmonelle) e i cianobatteri (alghe blu-verdi).

33 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. Come possiamo vedere nella prossima figura, l E.coli al pari di molti altri batteri possiede dei flagelli per il movimento.

34 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.

35 Inoltre, le cellule procariote posseggono un solo cromosoma costituito da un unica molecola di DNA a doppio filamento, fortemente avvolto su se stesso nel nucleoide. Il colibacillo è costituito da una membrana e da una parete cellulare esterna

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37 Escherichia coli (E.coli) 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 asessuale, cioè quando raggiunge delle dimensioni circa doppie del normale si divide in due cellule figlie identiche.

38 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! 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.

39 Ma torniamo ai procarioti. Alcuni di essi vengono classificati e denominati in base alla loro forma. Come possiamo vedere nella prossima figura alcuni sono a forma di bastoncello (E.coli, i batteri della difterite, del tetano, della tubercolosi, ecc.), altri come i cocchi sono sferici (a coppie,: diplococchi, a grappoli: stafilococchi, a file: streptococchi) ed altri come le spirochete sono di forma elicoidale (es. spirocheta della sifilide).

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42 Origine delle cellule

43 I procarioti sono quindi gli antenati di ogni forma di vita sulla terra, ma come hanno avuto origine? Esistono due ipotesi: l autotrofa e l eterotrofa. Secondo l ipotesi autotrofa il primo organismo vivente dev essere stato capace di autonutrirsi (qualcosa di simile alle piante fotosintetiche), cioè in grado di sintetizzare autonomamente le molecole organiche di cui aveva bisogno. A sfavore sta però il fatto che per sintetizzare tutte le molecole organiche come carboidrati, proteine e grassi a partire da semplici molecole inorganiche come CO 2, H 2 O ed NH 3, questo organismo avrebbe già dovuto possedere un notevole corredo enzimatico, il che é assurdo.

44 Secondo l ipotesi eterotrofa il primo organismo sarebbe stato qualcosa di molto simile ad un virus con una forma di vita molto semplice; la difficoltà sta nel fatto che questo organismo doveva essere circondato da un ambiente formato dalle più complesse molecole organiche (il che può anche essere). Come hanno potuto avere origine le molecole organiche? L atmosfera terrestre prima dell origine della vita e prima che si evolvesse la capacità della fotosintesi mancava di O 2, era cioé un atmosfera riducente.

45 Nel 1953 S. Miller fece un exp. utilizzando le stesse molecole che si pensava fossero tra i principali componenti dell atmosfera terrestre prima dell origine della vita e cioé: CH 4, NH 3, H 2 O e H 2. Egli mise questa miscela in un sistema chiuso in cui venivano prodotte scintille elettriche intermittenti (per simulare i fulmini)

46 Dopo alcuni giorni la miscela cambiò colore e all analisi si trovarono varie molecole di aminoacidi, (i componenti fondamentali delle proteine). Successivamente altri esperimenti hanno portato alla sintesi di altri aminoacidi, ATP e nucleotidi. ORIGINE DELLA VITA Nonostante la sintesi di molte molecole organiche, con mezzi non biologici in laboratorio, simulando le condizioni ambientali prima dell inizio della vita sulla Terra, c è una notevole differenza tra le molecole organiche e una cellula vivente. Esistono due teorie sull origine della vita sulla Terra, quella di Fox e quella di Oparin:

47 Fox scopri che scaldando delle miscele di amminoacidi si formano catene polipeptidiche che egli chiamò proteinoidi i quali a contatto con l acqua si aggregano per formare i cosidetti coacervati di forma sferica e simile alle cellule. Essi contenevano molecole ad attività catalitica, erano semipermeabili e possedevano la capacità di dividersi per gemmazione.

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49 In alcuni batteri procarioti la membrana cellulare contiene le proteine trasportatrici di elettroni per la sintesi di ATP ed altri contengono clorofilla per la fotosintesi. La parte cellulare delimitata dalla membrana plasmatica costituisce il citoplasma. Il citosol rappresenta la parte acquosa del citoplasma nel quale sono sospesi tutti gli organelli cellulari; si tratta di un fluido altamente viscoso perchè è costituito per il 50% da proteine. Una cellula di E.coli contiene circa 2000 molecole diverse tra amminoacidi, grassi, nucleotidi, vitamine, sali, carboidrati e proteine e circa ribosomi riuniti in grappoli chiamati polisomi.

50 Secondo questa teoria vennero prima le proteine e solo successivamente gli acidi nucleici. Secondo altri ricercatori furono gli acidi nucleici i primi ad essere inglobati in una specie di virus primordiale. Secondo Oparin ed altri invece la sintesi della prima particella autoriproducentesi detta protoorganismo è avvenuta attraverso una serie di passaggi di tipo Darwiniano fino ad arrivare ad un organismo a molti geni e poi ad un organismo autotrofo capace di sintetizzare tutti i suoi composti organici a partire da quelli inorganici.

51 EUCARIOTI

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