LA CELLULA La cellula è la più piccola unità strutturale e funzionale della materia vivente capace di esistenza indipendente

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1 LA CELLULA BIOTECNOLOGIE Introduzione LA CELLULA La cellula è la più piccola unità strutturale e funzionale della materia vivente capace di esistenza indipendente 11/10/17 La cellula 2 1

2 11/10/17 Esistono in natura cellule diverse E. coli Ameba Proteus Cellula vegetale 11/10/17 Globulo rosso umano La cellula 3 TUTTE LE CELLULE PRESENTANO: una regione nucleare contenente l acido desossiribonucleico (DNA), molecola in cui sono immagazzinate tutte le informazioni necessarie alla crescita e alla riproduzione cellulare 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 una membrana cellulare che contiene il protoplasma; essa racchiude la vita 11/10/17 La cellula 4 2

3 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 (10 14 ), di oltre 200 tipi diversi, classificate in quattro tipi di tessuti: 1) epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4) nervoso. 11/10/17 La cellula 5 11/10/17 La cellula 6 3

4 11/10/17 La cellula 7 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!). 11/10/17 La cellula 8 4

5 11/10/17 La cellula 9 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. 11/10/17 La cellula 10 5

6 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. 11/10/17 La cellula 11 Dividendosi periodicamente la cellula riesce a mantenere abbastanza COSTANTE il RAPPORTO SUPERFICIE/ VOLUME e di conseguenza il suo tasso metabolico. 11/10/17 La cellula 12 6

7 VIRUS NON SONO CLASSIFICATI TRA I VIVENTI POICHE : PRESENTANO UNA COMPLETA ASSENZA DI STRUTTURE CELLULARI NON HANNO UN METABOLISMO PROPRIO 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. 11/10/17 Virus 13 BATTERIOFAGO 11/10/17 Virus 14 7

8 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. 11/10/17 Virus /10/17 Virus 16 8

9 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 11/10/17 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). 11/10/17 Procarioti 18 9

10 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. 11/10/17 Procarioti 19 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. 11/10/17 Procarioti 20 10

11 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. 11/10/17 Procarioti 21 11

12 STRUTTURA CELLULA PROCARIOTICA Nucleoide: regione dove si trova il DNA Ribosomi: Sintesi polipeptidi Membrana plasmatica:ra cchiude i batteri Citoplasma : Luogo del metabolismo Parete cellulare: fornisce supporto e protezione Pili: Permettono ai batteri di aderire alle superfici e tra loro 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 11/10/17 Procarioti 24 12

13 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. Gli archeobatteri (scoperti in ambienti inospitali) possono vivere fino a temperature di 360 C. 11/10/17 Procarioti 25 CARATTERISTICHE CELLULARI DEI PROCARIOTI 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 andrebbe incontro a lisi cellulare senza la parete cellulare. La parete cellulare è costituita principalmente da peptidoglicano. 11/10/17 Procarioti 26 13

14 Definito anche mucopeptide batterico o mureina e Peptidoglicano struttura rigida di catene glicaniche di NAM e NAG legate con legami trasversali medianti ponti tetrapeptidici NAM: Acido N-acetilmuramico! NAG: N- acetilglucosamina! Legame Beta (1-6) Legame Beta (1-4) scisso dal lisozima o 11/10/17 Procarioti muraminidasi prodotto dai granulociti, macrofagi e PMNL 27 COLORAZIONE DI GRAM 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. 11/10/17 Procarioti 28 14

15 A seconda del tipo di parete i batteri si distinguono in Gram-positivi e Gram-negativi Gram positivi Gram negativi 11/10/17 Procarioti 29 11/10/17 Procarioti 30 15

16 Confronto tra la parete cellulare di batteri gram positivi (A) e gram negativi (B) 11/10/17 Procarioti 31 PARETE CELLULARE GRAM + 11/10/17 Procarioti 32 16

17 PARETE CELLULARE GRAM - 11/10/17 Procarioti 33 Lipopolisaccaride (LPS) E presente solo nei batteri gram negativi: è l ENDOTOSSINA, fattore di virulenza che caratterizza l azione patogena dei gram negativi 11/10/17 Procarioti 34 17

18 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. 11/10/17 Procarioti 35 LA MEMBRANA CELLULARE Steroli (colesterolo) assenti sostituiti da terpenoidi con la stessa funzione di stabilizzazione e compattamento 11/10/17 Procarioti 36 18

19 LA MEMBRANA CELLULARE 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! 11/10/17 Procarioti 37 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. Una cellula di E.coli contiene circa 2000 molecole diverse tra amminoacidi, grassi, nucleotidi, vitamine, sali, carboidrati e proteine. 11/10/17 Procarioti 38 19

20 Inoltre, le cellule procariotiche 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. 11/10/17 Procarioti 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 11/10/17 Procarioti 40 20

21 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 PRESENTI Ribosomi: complessi macromolecolari di RNA e proteine coinvolti nella sintesi delle proteine Può contenere inclusioni di natura organica e inorganica rappresentano in genere sostanze di riserva 11/10/17 41 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 21

22 SINTESI PROTEICA Ribosomi, presenti in circa , sono composti da due subunita che formano un complesso di 70S, si presentano in grappoli: POLISOMI 11/10/17 Procarioti 43 Il MESOSOMA Il MESOSOMA è una porzione della membrana citoplasmatica invaginata, punto di ancoraggio e duplicazione del DNA batterico 11/10/17 Procarioti 44 22

23 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 procariotiche ha una riproduzione asessuata, cioè quando raggiunge delle dimensioni circa doppie del normale si divide in due cellule figlie identiche. 11/10/17 Procarioti 45 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. FLAGELLI dei batteri : sono organi di locomozione. Sono costituiti da una proteina detta Flagellina dotata di potere antigenico 11/10/17 Procarioti 46 23