Istituto Comprensivo Massarosa 2 Percorsi per capire Laboratori del Sapere Scientifico Origine delle cellule e concetti generali Paolo Ercolini biologo Piano di Conca, 11 novembre 2013 Fonti internet rilevate dal docente 1
Si ritiene che tutti gli organismi, così come tutte le cellule che li compongono, discendano per evoluzione da un antico antenato comune. L evoluzione comporta due processi essenziali: 1. La variazione casuale dell informazione genetica trasmessa da un individuo ai propri discendenti; 2. La selezione a vantaggio di quell informazione genetica che aiuta chi la possiede a sopravvivere e a propagarsi. L evoluzione è il principio centrale della biologia, quello che ci consente di dare un senso alla stupefacente varietà del mondo vivente. 2
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Tutte le creature viventi sono fatte di cellule, piccoli compartimenti avvolti da una membrana e colmi di soluzioni acquose, concentrate di sostanze chimiche. Le forme di vita più semplici sono cellule solitarie che si propagano dividendosi in due. 4
Ciascun organismo vivente, anche il più complesso, deriva da una sola cellula iniziale: l uovo. Da una prima cellula anche nell essere umano, nel corso dello sviluppo, si formeranno miliardi di cellule. Divisione dopo divisione, esse si moltiplicheranno andando sempre più a specializzarsi nei singoli organi che compongono un individuo 5
Ogni singola cellula del nostro organismo, sia essa del fegato del sistema nervoso o della pelle, si comporta come un individuo. Infatti essa si nutre e produce rifiuti, che poi va ad eliminare. Tutto ciò prende il nome di metabolismo cellulare. Le cellule nutrite dal sangue con la sua circolazione in tutto il corpo, assorbono zuccheri, proteine e grassi. Ogni secondo il nostro corpo si modifica e sempre più cambia. 6
Ci accorgiamo dei cambiamenti del nostro corpo, osservando le foto scattate a distanza di anni. In questo caso possiamo comprendere a fondo il significato dell invecchiamento cellulare. Cambiamento che si ha anche a livello del nostro cervello. Esso attraverso una ininterrotta eliminazione e ricrescita delle cellule che lo costituiscono, cambia e si modifica negli anni. Tutti i suoi elementi di base vengono gradualmente eliminati e sostituiti con altri. 7
Tutto cambia nel cervello, tranne le memorie che malgrado la stessa continua sostituzione di ogni singola molecola, restano allocate in centri ben definiti del nostro cervello. Ma cosa avviene quando gli anni cominciano ad accumularsi nel corpo umano? Sintomi: imbiancarsi dei capelli; perdita di elasticità; incurvarsi della schiena; riduzione delle masse muscolari; lento metabolismo e accumulo di grassi. 8
Si ha anche la perdita di olfatto, soprattutto i sapori poiché i calici gustativi delle papille poste sulla lingua si dimezzano. Il cervello perde lentamente, ma inesorabilmente molti neuroni, interconnessioni neuronali ed altre cellule. Ma recenti studi affermano che i neuroni si rigenerano sempre. 9
La perdita di elasticità fa ridurre anche l udito perché le piccole ossa che lo compongono si decalcificano. 10
Lo scheletro diventa più fragile perché il tessuto osseo viene riassorbito (soprattutto i Sali di calcio che lo rendono resistente) più di quanto sia ricostruito e ciò provoca una debolezza strutturale. Si riduce, anche se di poco, la capacità polmonare. 11
Osservando un animale o una pianta diremmo che esistono sostanziali differenze. 12
Ad una attenta e microscopica osservazione troviamo elementi comuni: acqua; sostanze inorganiche ed organiche identiche; acidi desossiribonucleici (DNA); acidi ribonucleici (RNA); organismi unicellulari ; organismi pluricellulari. 13
La cellula può essere paragonata ad una macchina ad energia chimica, che per costruire e mantenere la propria organizzazione, ricorre all energia e alle sostanze inorganiche ed organiche che sottrae dall ambiente circostante. Le piante verdi lo fanno usando l energia luminosa del sole, trasformandola in energia chimica. In questo processo chiamato fotosintesi, vengono sintetizzati zuccheri ed altri composti organici partendo da sostanze semplici come l anidride carbonica (CO2) e l acqua. 14
Rappresentazione schematica della fotosintesi Idrogeno Glucosio Amido Acqua e Ossigeno Anidride Carbonica 15
Sono detti AUTOTROFI gli organismi che utilizzano energia luminosa per sintetizzare il nutrimento necessario sia per la loro vita sia per quella di tutti gli organismi ETEROTROFI. La luce direttamente o indirettamente è la fonte prima di energia per quasi tutti gli organismi viventi 16
PRINCIPALI SUDDIVISIONI DEGLI ORGANISMI VIVENTI Procarioti Batteri Cianoficee Eucarioti unicellulari Eucarioti pluricellulari Protozoi e funghi Animali Varie alghe Piante 17
Gli organismi procariotici sono unicellulari o, se pluricellulari, semplici aggregati di cellule uguali e indipendenti. La cellula procariotica ha dimensioni dell ordine di qualche micrometro (µm = 10-6 ). La cellula del batterio Escherichia coli procariotica ha dimensioni di circa 1 X 2 µm, mentre un alga procariotica, la Cianoficea Anacystis nidulans, presenta un diametro di circa 4 µm. 18
La parte più esterna di una cellula è costituita dalla parete cellulare, una struttura rigida che conferisce a ciascun organismo la sua forma caratteristica e che serve a controbilanciare la pressione osmotica del citoplasma che spinge verso l esterno la membrana cellulare. 19
Il citoplasma, massa semifluida, occupa circa la metà del volume totale della cellula e vi si trovano tutte le sostanze chimiche vitali tra cui sali, ioni, zuccheri, una grande quantità di enzimi e proteine e la maggior parte dell RNA. Il liquido (sostanza) costituisce circa il 75-85% delle sostanze contenute nel citoplasma, ed è formato inoltre da sali minerali, sostanze organiche e inorganiche. La matrice citoplasmatica può essere definita plasmagel o plasmasol a seconda dello stato di aggregazione delle proteine disperse. 20
Il citoplasma 21
Gli elementi principali di una cellula 22
La membrana citoplasmatica funziona da filtro selettivo per le varie molecole che entrano nella cellula e fuoriescono da questa. Il trasporto di tali molecole avviene, in genere, su siti specifici e con dispendio di energia (trasporto attivo). 23
I processi spontanei di diffusione e di osmosi riguardano poche sostanze e non sono sufficienti a garantire alla cellula tutti gli scambi con l ambiente esterno di cui ha bisogno. Per ovviare alla necessità di trasferire attraverso la membrana i nutrienti essenziali o i rifiuti metabolici, le cellule hanno sviluppato dei sofisticati sistemi di trasporto attivo che fanno uso di specifici canali proteici ciascuno dei quali permette il passaggio di una o poche più particelle. 24
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Le sinapsi chimiche avvengono a livello di terminazione delle cellule nervose. Quando i potenziali di azione si attivano, le sinapsi sono stimolate a liberare un neurotrasmettitore. 26
Effetto delle droghe a lungo tempo 27
La maggior parte delle reazioni metaboliche di una cellula avvengono nel citoplasma. Proprio in questa zona si rinviene il nucleo, all interno del quale è contenuto il DNA. 28
La sintesi delle proteine Il DNA si duplica, ma se l informazione contenuta in un gene da origine al colore dei capelli, ad esempio, in che modo essa determina la scelta del colore indicato? Da particolari proteine che sono presenti negli organismi. In altre parole se un individuo ha i capelli di colore nero, significa che esso possiede una ben specifica proteina che determina quel colore. 29
Ma come e dove si formano dunque le proteine? Nella cellula e per questo processo sono coinvolti: apparato del Golgi; RNA messaggero, di trasporto e ribosomiale; ribosomi. 30
Apparato del Golgi In tutte le cellule sia vegetali che animali, sono individuabili una o più aree, in genere dislocate vicino al nucleo, dove un reticolo detto endoplasmico, dà origine ad un sistema complesso di cisterne e canali a superficie liscia. Si tratta dell Apparato del Golgi la cui funzione è quella di raccogliere e di portare all esterno della membrana cellulare proteine, enzimi, ormoni, polisaccaridi, che la cellula secerne. 31
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Il ribosoma rappresenta la macchina esecutrice della sintesi proteica. Possiede due subunità, la maggiore (60 S) e la minore (40 S), la maggiore contiene gli rrna 28 S, 5.8 S e 5 S, mentre la minore contiene l rrna 18 S.. La subunità minore funge da sostegno e da sito di ingresso dell mrna da tradurre, mentre la subunità maggiore è la principale macchina catalizzatrice del complesso. 33
Questi organuli sono da considerarsi come le centrali di energia delle cellule. Essi entrano in azione quando la cellula ha bisogno di energia e sono tanto più numerosi quando si trovano in una cellula che lavora molto. In una cellula muscolare ad esempio, ve ne sono oltre 50 mila. I mitocondri 34