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OSSERVIAMO LA CELLULA. La teoria cellulare si basa su tre affermazioni: La cellula è l’unità strutturale e funzionale dei viventi; Tutti gli organismi.

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1 OSSERVIAMO LA CELLULA

2 La teoria cellulare si basa su tre affermazioni: La cellula è l’unità strutturale e funzionale dei viventi; Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule (essi possono essere unicellulari o pluricellulari); Nuove cellule possono derivare soltanto da cellule preesistenti. LE CELLULE SONO LE UNITÀ DI BASE DELLA VITA

3 Comprese fra i 10 e i 50 μm 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. LE CELLULE HANNO PICCOLE DIMENSIONI Volumi ridottiSuperfici più ampie Numero e misure dei cubi Area totaleVolume totaleRapporto area/volume per ogni cubo 1 cubo, 4 cm di lato96 cm 2 64 cm 3 1,5/1 8 cubi, 2 cm di lato192 cm 2 64 cm 3 3/1 64 cubi, 1 cm di lato384 cm 2 64 cm 3 6/1

4 Lo strumento che ci consente di osservare le cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio.

5 IL MICROSCOPIO CI PERMETTE DI OSSERVARE LE SINGOLE CELLULE 5 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.

6 LA FORMA DI UNA CELLULA DIPENDE DA: - fattori fisici: una cellula che si trova in ambiente acquoso, tende ad assumere una forma sferica; Può avere una forma appiattita se risentono della pressione degli strati cellulari sovrastanti (cellule epiteliali). - funzione: le fibre muscolari sono alquanto allungate per poter svolgere la contrazione; i neuroni possiedono una struttura fortemente ramificata per poter ricevere le informazioni provenienti da ogni parte del corpo.

7 Distinguiamo: procarioti (batteri e archea) eucarioti EVOLUZIONE:

8 LA CARATTERISTICHE IN COMUNE TRA EUCARIOTI E PROCARIOTI SONO: Membrana cellulare Citoplasma Le cellule procariotiche sono molto più piccole delle eucariotiche.

9 LE CELLULE PROCARIOTICHE SONO COMPARSE PER PRIME Le cellule procariotiche (da pro, prima e karyon, nucleo) sono prive di un nucleo racchiuso da una membrana. Gli organismi unicellulari costituiti da cellule procariotiche, i procarioti, sono classificati in due domini: Archaea (archei); Bacteria (batteri).

10 I BATTERI SONO DOTATI DI PARETE CELLULARE Questa presenta una struttura notevolmente diversa a seconda che si tratti di batteri gram-positivi o gram-negativi, anche se sono entrambe costituite da peptidoglicano. Nei batteri gram-positivi, il peptidiglicano è disposto in molteplici strati Nei gram-negativi vi sono uno o al massimo due strati di Peptidoglicano.

11 LA COLORAZIONE DI GRAM

12 Le cellule eucariotiche (da eu, buono, e karyon, nucleo) hanno un nucleo delimitato da una membrana ben distinta, che racchiude il DNA. Gli organismi eucariotici, ossia protisti, funghi, piante e animali, fanno tutti parte del dominio degli Eukarya (eucarioti). LE CELLULE EUCARIOTICHE CONTENGONO ORGANULI SPECIALIZZATI

13 LA STRUTTURA DI UNA CELLULA ANIMALE

14 LA STRUTTURA DI UNA CELLULA VEGETALE

15 MEMBRANA PLASMATICA 15

16 L’informazione genetica necessaria per sintetizzare le proteine è contenuta nel nucleo. Tale informazione viene trasmessa da una generazione alla successiva dai geni, che si possono considerare le «unità ereditarie» della cellula. Essi sono costituiti da DNA e si trovano nei cromosomi. LA SINTESI PROTEICA È UNA DELLE FUNZIONI PRIMARIE DELLA CELLULA

17 INVOLUCRO NUCLEARE: 2 membrane costituite da fosfolipidi. La M.N. interna definisce e delimita l'area nucleare. La M.N esterna, si continua con il RER. Lo spazio tra le due membrane (spazio perinucleare) è in continuità con il lume del RER e le due membrane appaiono fuse a livello dei pori nucleari. Nel nucleo sono contenuti i cromosomi costituiti da molecole di DNA (acido desossiribonucleico), portatori dell'informazione genetica. Il numero e le dimensioni dei singoli cromosomi variano molto tra i differenti eucarioti. NEL NUCLEO È CONTENUTA L’INFORMAZIONE GENETICA

18 Quasi tutto il DNA si trova associato con un gruppo di cinque proteine dette Istoni (H2A; H2B; H3; H4; H1) Le prime quattro associate al DNA formano degli ottameri ricchi di DNA superavvolto detti nucleosomi. La proteina istonica H1 ha il compito specifico di mantenere collegati tra loro i diversi istoni. L'intera struttura è detta cromatina. La cromatina, si suddivide in Eucromatina Eterocromatina (costitutiva e facoltativa ) LA CROMATINA È COMPOSTA DA DNA E PROTEINE

19 La grandezza del nucleolo va da 1 a 3 µm. Il numero di nucleoli osservabili in un nucleo è compreso tra 1 e 6. Tuttavia la presenza di più nucleoli rappresenta una situazione transitoria. Il nucleolo è la sede di produzione dei ribosomi, sia per quanto riguarda la produzione del rRNA (RNA ribosomiale) sia per l'assemblaggio delle proteine (basiche) presenti nelle subunità ribosomiali. I nucleoli sono spesso circondati da cromatina addensata che prende il nome di cromatina associata al nucleolo o cromatina perinucleolare.

20 I RIBOSOMI SONO LA SEDE DELLA SINTESI PROTEICA

21 I ribosomi sono organelli immersi nel citoplasma - o ancorati al reticolo endoplasmatico - e sono le particelle responsabili della sintesi proteica. La loro funzione è quindi quella di sintetizzare le proteine leggendo le informazioni contenute in una catena di RNA messaggero (m-RNA). Il ribosoma della cellula eucariota (fatta eccezione per quelli contenuti nei mitocondri e nei cloroplasti) ha una massa molecolare di 4000 kDa, un diametro di 23 nm ed un coefficiente di sedimentazione di 80 S. E’ composto da due subunità: la subunità maggiore 60S è costituita da tre molecole di rRNA, una a 28 S, una a 5,8 S e un'ultima a 5 S. la minore 40S consta di una sola catena di RNA 18 S. Nel complesso le due subunità presentano inoltre più di 80 proteine.

22 Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) è contraddistinto dalla presenza di ribosomi sulla membrana e sintetizza le proteine. Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non presenta ribosomi alla superficie e sintetizza lipidi di vario tipo. Proteine e lipidi vengono inglobati all’interno di vescicole di trasporto e diretti all’apparato di Golgi. IL RETICOLO ENDOPLASMATICO SINTETIZZA E TRASPORTA PROTEINE E LIPIDI

23 Transitando nell’apparato di Golgi, proteine e lipidi subiscono degli interventi e trasformazioni sostanziali. Le sostanze vengono quindi impacchettate in vescicole di trasporto e dirette verso la membrana plasmatica, dove avrà luogo la secrezione (o esocitosi). L’APPARATO DI GOLGI MODIFICA E CONFEZIONA LE PROTEINE

24 Il complesso di Golgi è quindi: un centro di raccolta CONTROLLO DI QUALITA’ trasformazione Imballaggio distribuzione di sostanze prodotte dalla cellula

25 IL GOLGI È COSTITUITO DA TRE TIPI DI STRUTTURE DIVERSE: Vescicole Transfer, piccole vescicole con diametro di nm tramite le quali pervengono al Golgi le biomolecole da elaborare. Cisterne, sono minimo tre e nelle cellule umane solitamente il loro numero varia tra quattro e sette. Queste si dispongono le une di fronte alle altre, con una faccia che guarda verso il nucleo ed un'altra che guarda verso la membrana cellulare. Vacuoli di Condensazione, originano dalla faccia che guarda la membrana e si fondono tra loro formando macrovescicole o granuli di secrezione.

26 Cellula animale Cellula vegetale I lisosomi contengono enzimi che digeriscono le macromolecole e i rifiuti cellulari. I perossisomi hanno un aspetto simile a lisosomi svuotati e demoliscono gli acidi grassi. Nei vacuoli delle piante vengono accumulate sostanze di riserva (acqua, zuccheri, sali); essi hanno inoltre funzione di sostegno mantenendo il turgore. LE VESCICOLE E I VACUOLI SVOLGONO DIVERSE FUNZIONI

27 LA DEGRADAZIONE NEI LISOSOMI AVVIENE PER MEZZO DI ENZIMI IDROLITICI Le idrolasi acide sono in grado di degradare proteine, lipidi e carboidrati nei loro costituenti elementari per poi, quando possibile, venire riutilizzati in altro modo o essere espulsi. Questi enzimi si attivano a pH bassi (4,8), e questo è importante poiché riduce il pericolo della distruzione della cellula ospitante qualora vi sia la liberazione accidentale di tali enzimi nel citoplasma (che ha pH 7). Per ulteriore protezione, la membrana del lisosoma contiene, oltre a proteine di trasporto per portare nel citosol i prodotti della digestione, grandi quantità di glucidi legati a lipidi o a proteine della faccia non citosolica.

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29 Il meccanismo con cui tali enzimi entrano in contatto con le sostanze da degradare viene definito autofagìa o eterofagia a seconda dell'origine di tali sostanze. autofagia processo biologico che determina la degradazione di componenti della cellula stessa, siano essi macromolecole o organelli. In questo caso questi vengono circondati da vescicole derivanti dalla membrana del reticolo endoplasmatico, portando alla formazione del cosiddetto autofagosoma. Successivamente questo si fonde col lisosoma che è quindi libero di riversarvi il proprio contenuto, formando l' autofagolisosoma. eterofagia grosse particelle (come un batterio o un virus) vengono inglobate (endocitate) dalla cellula. Anche in questo caso la vescicola formatasi, questa volta derivante dalla membrana cellulare (endosoma), si fonde col lisosoma formando un unico complesso vescicolare dove il suo contenuto viene digerito.

30 I lisosomi osservati al microscopio elettronico si presentano sotto 3 aspetti strutturali: Lisosomi primari, secondari e terziari. Lisosomi Primari: si presentano sotto forma di piccole vescicole sferiche che hanno al loro interno un alto contenuto di acido idrolitico. Lisosomi Secondari (endolisosomi): si formano tramite la fusione dei lisosomi primari con endosomi, ovvero con vacuoli che contengono materiale extracellulare penetrato nella cellula tramite endocitosi. Per questo codesti lisosomi vengono chiamati endolisosomi. Lisosomi Terziari (corpi residui): i corpi residui del processo di digestione sotto forma di resti non digeribili costituiscono i lisosomi terziari. Alcuni vengono eliminati mentre altri vengono depositati.

31 Il sistema delle membrane interne corrisponde quindi a una serie di organuli rivestiti da membrana, che comprendono il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i lisosomi e le vescicole di trasporto. I vari componenti lavorano in sinergia fino al rilascio delle sostanze all’esterno (secrezione per esocitosi). GLI ORGANULI DEL SISTEMA DELLE MEMBRANE INTERNE LAVORANO IN SINERGIA

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33 I cloroplasti e i mitocondri sono le «centrali energetiche» cellulari. Tali organuli gestiscono la produzione di energia tramite i processi di fotosintesi e respirazione. LA CELLULA GESTISCE LA PRODUZIONE E IL CONSUMO DI ENERGIA

34 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: 6CO 2 6H 2 O+ +C 6 H 12 O 6 6O 2 acquaanidride carbonicaglucosioossigeno I CLOROPLASTI CATTURANO L’ENERGIA SOLARE E PRODUCONO CARBOIDRATI

35 La doppia membrana dei cloroplasti racchiude un ampio spazio detto stroma, dove avviene la sintesi dei carboidrati. La clorofilla che cattura la luce solare è invece localizzata nella membrana dei tilacoidi. I CLOROPLASTI SVOLGONO FUNZIONE FOTOSINTETICA.

36 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: 6CO 2 6H 2 O+ +C 6 H 12 O 6 6O 2 acquaanidride carbonica glucosio ossigeno

37 Essi sono suddivisi in comparti: la membrana esterna, lo spazio intramembrana, la membrana interna, le creste e la matrice. Il glucosio viene demolito nel citoplasma attraverso la glicolisi, mentre nelle creste si produce l’ATP a partire dal prodotto della glicolisi che è il piruvato. LA RESPIRAZIONE CELLULARE HA SEDE NEI MITOCONDRI

38 IL MITOCONDRIO È LUNGO 1-4 µm ED HA UN DIAMETRO DI 0,2-1 µm La membrana esterna permette il passaggio di piccole molecole La membrana interna è selettivamente permeabile e ripiegata in estroflessioni chiamate creste mitocondriali (la cui funzione è quella di aumentare la superficie di membrana che permette di disporre un numero maggiore di complessi di ATP sintetasi e di fornire pertanto maggiore energia)

39 Il mitocondrio deriva da un processo di endosimbiosi tra un protoeucariote e un procariote pertanto presenta caratteristiche proprie delle cellule batteriche come la presenza di molecole di cardiolipina( difosfatidil-glicerolo) e l'assenza di colesterolo e la presenza di DNA e ribosomi. Il mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni La più importante tra esse consiste nello sfruttare le molecole organiche che attraversano la sua membrana per produrre adenosintrifosfato (ATP). Gli altri processi in cui il mitocondrio interviene sono: l'apoptosi regolazione del ciclo cellulare, regolazione delle reazioni redox della cellula, sintesi dell'eme, sintesi del colesterolo, produzione di calore.

40 Il genoma mitocondriale umano contiene coppie di basi e possiede 37 geni codificanti per due RNA ribosomiali (rRNA), 22 RNA di trasporto (tRNA) e 13 proteine che fanno parte dei complessi enzimatici deputati alla fosforilazione ossidativa. È da notare, comunque, che il numero di geni presenti sul DNA mitocondriale è variabile a seconda delle specie. In ogni mitocondrio si trovano da due a dieci copie del genoma. Il resto delle proteine presenti nel mitocondrio deriva da geni nucleari i cui prodotti vengono appositamente trasportati. La presenza della catena di trasporto degli elettroni con la sua capacità di produrre radicali liberi, la mancanza di istoni ed i limitati sistemi di riparo, rendono il DNA mitocondriale facilmente danneggiabile ed in effetti il suo tasso di mutazione è circa dieci volte maggiore di quello nucleare. Ciò fa sì che si possano avere sequenza mitocondriali differenti anche all'interno di uno stesso individuo.

41 Una particolarità del codice genetico mitocondriale sta nel fatto che esso è leggermente diverso da quello comunemente noto. Il codone UGA, normalmente codone di stop, codifica per il triptofano. I vertebrati, inoltre, usano la sequenza AUA (e l'uomo anche AUU) per codificare la metionina (e non l'isoleucina) mentre AGA ed AGG funzionano come codoni di stop. Si è visto, inoltre, che tra specie diverse vi possono essere differenze nel codice mitocondriale che, di conseguenza, non è uguale per tutti. Il DNA mitocondriale umano viene ereditato per via uniparentale per via materna (eredità non mendeliana) in quanto durante il processo di fecondazione i mitocondri dello spermatozoo sono marcati con ubiquitina, una proteina che si lega ad altre proteine che devono essere degradate. In conseguenza di ciò, il genoma mitocondriale della prole sarà quasi uguale a quello materno (fatte salve eventuali mutazioni) ed, inoltre, se la madre è affetta da una malattia a trasmissione mitocondriale, la erediteranno tutti i figli, mentre se ne è affetto il padre, non la erediterà nessuno.

42 Patologie come la malattia di Parkinson e la malattia di Alzheimer possono essere correlate a mutazioni del DNA mitocondriale (mtDNA). DIFETTI DEI MITOCONDRI POSSONO ESSERE CAUSA DI MALATTIE Mitocondri in una cellula muscolare

43 Il citoscheletro, che significa «scheletro della cellula», ne mantiene la forma, contribuisce alla formazione delle giunzioni tra cellule e permette il movimento sia della cellula stessa sia dei suoi organuli. Il citoscheletro degli eucarioti è costituito da tre tipi di elementi: i filamenti di actina, i filamenti intermedi e i microtubuli. IL CITOSCHELETRO DÀ FORMA ALLA CELLULA E NE GUIDA I MOVIMENTI

44 Questi filamenti sono disposti in fasci o a reticella e svolgono un ruolo strutturale di fondamentale importanza. Si tratta di filamenti flessibili e relativamente resistenti, tanto da consentire alle cellule di spostarsi con movimento ameboide o strisciando. I FILAMENTI DI ACTINA

45 Simili a una corda ritorta, i filamenti intermedi sono costituiti da diversi polipeptidi fibrosi e svolgono una funzione strutturale, sostenendo l’involucro nucleare e la membrana plasmatica. I filamenti intermedi hanno un diametro medio di 10 nm. I FILAMENTI INTERMEDI

46 Sono costituiti da una proteina globulare chiamata tubulina. I microtubuli agiscono come rotaie lungo le quali si spostano i vari organuli cellulari. Lo scorrimento è reso possibile dalla presenza di molecole motrici associate ai microtubuli. I MICROTUBULI

47 Ciglia e flagelli sono estroflessioni a forma di frusta che si trovano in alcune cellule procariotiche ed eucariotiche. Negli animali svolgono ruoli cruciali lungo il tratto respiratorio e riproduttivo. Le ciglia (al singolare, ciglio) sono strutture brevi (2-10 μm). I flagelli sono appendici più lunghe (200 μm). LE CIGLIA E I FLAGELLI CONTENGONO MICROTUBULI

48 Hanno una funzione motoria sono tipici dei batteri bacillari, (invece i cocchi preferiscono gli ambienti secchi) Possono essere localizzati: 1.ad uno o ad entrambi i poli della cellula (l. polare) Monotrichi e Anfitrichi 2.o si originano da numerosi punti (l. peritritica) Peritrichi 3.un ciuffo di flagelli si origina da un'estremità della cellula (l. lofotrica) Lofotrichi I flagelli sono implicati nella CHEMIOTASSI, che consente alla cellula di compiere un moto semidirezionato (compiuto da chemiorecettori) di tipo attraenti e repellenti. Il movimento rotatorio non è casuale; un movimento antiorario imprime il moto al batterio, un movimento orario determina l'arresto. Solo i batteri monotrichi hanno la possibilità di compiere il solo movimento antiorario. I flagelli sono appendici cellulari lunghe e sottili

49 I pili e le fimbrie originano dalla membrana citoplasmatica, hanno una lunghezza compresa tra 0,2-2 μm ed un diametro di circa 3-10 nm. Sono strutture rigide di forma cilindrica composte dalla ripetizione di una proteina denominata pilina, presente con diverse isoforme nelle diverse specie batteriche, che si organizza con simmetria elicoidale attorno ad un asse immaginario fino a formare il pilo tubulare. All'estremo libero della fimbria sono presenti in numero variabile altre proteine dette adesine, ognuna delle quali possiede una sua struttura del tutto peculiare e complementare ad altre strutture presenti sulle cellule organiche di altri organismi viventi: queste adesine rappresentano il meccanismo con cui il batterio può aderire alle cellule dell'organismo ospite. Le adesine, inoltre, costituiscono spesso un determinante antigenico della cellula batterica, e possono rappresentare il bersaglio degli anticorpi specifici diretti contro quel patogeno: possono però essere nascoste, e quindi protette dall'azione di difesa anticorpale, in tutti quei batteri provvisti di capsula batterica.

50 I pili sessuali o coniugativi sono implicati nel processo della coniugazione batterica (sono anche detti pili F  F = fertilità) la coniugazione comporta il trasferimento di materiale genetico da un batterio ad un altro della stessa specie. La loro produzione è mediata da un plasmide contenuto all'interno di alcune cellule batteriche, il plasmide F, che costituisce anche il materiale di scambio tra i due batteri.

51 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.

52 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. OGNI CELLULA COMUNICA CON LE CELLULE ADIACENTI


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