Un viaggio dentro la cellula 0

Introduzione al mondo della cellula 4.1 I microscopi ci permettono di esplorare linterno delle cellule Il microscopio ottico (LM, dallinglese Light Microscope) permette di vedere forma e struttura di una cellula. Oculare Lenti delloculare Lenti dellobiettivo Campione Lenti del condensatore Fonte di luce Figura 4.1A

I microscopi ottici ingrandiscono le cellule (vive e conservate) fino a 1000 volte le loro dimensioni reali. Figura 4.1B

Il microscopio elettronico ha un potere di risoluzione molto più elevato (è in grado dingrandire unimmagine anche volte) e rivela i dettagli cellulari. SEM 2000 TEM 2800 Figura 4.1C – Immagine prodotta con il microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope). Figura 4.1D – Immagine prodotta con il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron Microscope).

4.2 Le dimensioni delle cellule variano a seconda delle loro funzioni Le cellule variano per dimensione e forma. Figura 4.2

Le dimensioni cellulari sono limitate dalla necessità di avere unarea superficiale abbastanza estesa da permettere scambi efficaci con lambiente esterno, come lassunzione delle sostanze nutritive e leliminazione delle sostanze di rifiuto. Le dimensioni microscopiche della maggior parte delle cellule assicurano questarea superficiale.

4.3 Le cellule procariotiche hanno una struttura più semplice delle cellule eucariotiche Esistono due tipi di cellule: procariotiche eucariotiche Cellula procariotica Nucleoide Nucleo Cellula eucariotica Organuli Colorizzata TEM Figura 4.3A

Le cellule procariotiche (presenti negli eubatteri e negli archebatteri) sono cellule piccole, relativamente semplici, che non hanno un nucleo circondato da una membrana. Il loro DNA è situato in una regione detta nucleoide. Figura 4.3B Flagelli batterici Ribosomi Capsula Parete cellulare Membrana cellulare Nucleoide (DNA) Pili

4.4 Le cellule eucariotiche sono suddivise in compartimenti che svolgono funzioni diverse Le cellule eucariotiche sono contraddistinte dalla presenza di un vero e proprio nucleo. Nelle cellule eucariotiche esiste un sistema di membrane interne che suddivide il citoplasma in zone diverse con funzioni differenti, facilitando linsieme delle attività chimiche indicate come metabolismo cellulare.

Una cellula animale contiene una varietà di organuli circondati da membrane. Figura 4.4A Nucleo Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido Ribosomi Apparato di Golgi Membrana plasmatica Mitocondrio Flagello Assenti nella maggior parte delle cellule vegetali Lisosoma Centriolo Microtubulo Citoscheletro Filamento intermedio Microfilamento Perossisoma

Una cellula vegetale ha alcune strutture che sono assenti in a una cellula animale, come i cloroplasti e una parete cellulare rigida. Figura 4.4B Vacuolo centrale Assenti nelle cellule animali Cloroplasto Parete cellulare Apparato di Golgi Nucleo Microtubulo Citoscheletro Filamento intermedio Microfilamento Ribosomi Reticolo endoplasmatico liscio Mitocondrio Perossisoma Reticolo endoplasmatico ruvido Membrana plasmatica

La membrana plasmatica e gli organuli circondati da membrane 4.5 La membrana plasmatica è costituita principalmente da fosfolipidi e proteine organizzati in un modello a mosaico fluido I fosfolipidi sono i principali componenti strutturali delle membrane. Queste molecole hanno una «testa» idrofilica e due «code» idrofobiche. Figura 4.5B CH 2 Gruppo fosfato CH 2 CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 N + O O O–O– P O CH 2 CH CH 2 C O C O O O Schema di un fosfolipide Code idrofobiche Testa idrofilica

I fosfolipidi formano una struttura stabile a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico in cui le teste idrofiliche sono a contatto con lacqua, mentre le code idrofobiche si orientano verso linterno, allontanandosi dallacqua. Figura 4.5C Acqua Teste idrofiliche Code idrofobiche

La membrana plasmatica viene descritta come un mosaico fluido. La sua struttura è, infatti, fluida, perchè la maggior parte delle molecole proteiche e dei fosfolipidi può muoversi lateralmente nella membrana. Fibre della matrice extracellulare Carboidrato (della glicoproteina) Glicoproteina Filamenti del citoscheletro Fosfolipide Colesterolo Proteine Membrana plasmatica Glicolipide Citoplasma

4.6 Molti organuli cellulari sono in comunicazione tramite un sistema di membrane interne Il sistema di membrane interne è un insieme di organuli circondati da membrane che lavorano insieme nel sintetizzare, immagazzinare e distribuire i prodotti cellulari (molecole importanti quali, per esempio, lipidi e proteine).

I vari organuli del sistema di membrane interne sono interconnessi strutturalmente e funzionalmente. Nucleo Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Apparato di Golgi Lisososma Vacuolo Membrana plasmatica Reticolo endoplasmatico ruvido Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo endoplasmatico Vescicola di trasporto proveniente dallapparato di Golgi Figura 4.6

4.7 Il nucleo è il centro di controllo della cellula Il nucleo è solitamente lorganulo più grande ed è separato dal citoplasma tramite la membrana nucleare. Il nucleo è il centro di controllo genetico della cellula eucariotica perché contiene il DNA che dirige tutte le attività cellulari. Nucleo Cromatina Nucleolo Poro Ribosomi Reticolo endoplasmatico ruvido Membrana nucleare a doppio strato Figura 4.7

4.8 Il reticolo endoplasmatico ruvido dà origine a membrane e proteine Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) ha due funzioni principali: ampliare lestensione del sistema di membrane; assemblare le proteine destinate a essere secrete dalla cellula.

I ribosomi sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido producono proteine che sono secrete dalla cellula, inserite nelle membrane o trasportate in vescicole ad altri organuli. Vescicola di trasporto con allinterno una glicoproteina 4 Vescicola di trasporto che si stacca Catena glucidica 3 Reticolo endoplasmatico Glicoproteina 2 Polipeptide Ribosoma 1 Figura 4.8

4.9 Il reticolo endoplasmatico liscio svolge molteplici funzioni Il reticolo endoplasmatico liscio (REL): Figura 4.9 sintetizza i lipidi (acidi grassi, fosfolipidi, steroidi); demolisce le tossine e i farmaci nelle cellule del fegato; immagazzina e rilascia ioni calcio nelle cellule muscolari. Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido Involucro nucleare Ribosomi Reticolo endoplasmatico liscio TEM Reticolo endoplasmatico ruvido

4.10 Lapparato di Golgi rielabora, seleziona e trasporta i prodotti cellulari Lapparato di Golgi è composto da sacchetti appiattiti impilati uno sullaltro che ricevono e modificano i prodotti del reticolo endoplasmatico e li trasportano ad altri organuli o sulla superficie della cellula (per essere espulsi). Figura 4.10 Apparato di Golgi TEM Vescicola di trasporto prodotta dallapparato di Golgi Lato «di uscita» dellapparato di Golgi Apparato di Golgi Lato «dingresso» dellapparato di Golgi Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo Nuova vescicola in formazione

Apparato di Golgi Membrana plasmatica Sostanze nutritive Vacuolo alimentare Lisosomi Digestione Introduzione delle particelle Vescicola di trasporto (contenente enzimi idrolitici inattivi) Reticolo ruvido Il lisosoma ingloba lorganulo danneggiato 4.11 I lisosomi demoliscono le sostanze alimentari e di rifiuto delle cellule Figura 4.11B I lisosomi svolgono diversi tipi di funzioni digestive. I lisosomi sono costituiti da enzimi digestivi (idrolitici) chiusi in un sacchetto circondato da membrane.

Nei globuli bianchi i lisosomi distruggono i batteri nocivi che sono stati ingeriti. Figura 4.11A Lisosoma Nucleo TEM 8500

I lisosomi sono anche il centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. TEM Due organuli danneggiati allinterno del lisosoma Frammento di mitocondrio Frammento di perossisoma Figura 4.10C

4.12 I vacuoli mantengono costante lambiente cellulare Le cellule vegetali contengono un grande vacuolo centrale che ha funzioni lisosomiali e di riserva. Cloroplasto Vacuolo centrale Nucleo Colorizzata TEM Figura 4.12A

Alcuni protisti hanno vacuoli contrattili che pompano allesterno lacqua in eccesso. LM 650 Nucleo Vacuoli contrattili Figura 4.12B

I cloroplasti trasformano lenergia solare in energia chimica I cloroplasti, che si trovano nelle piante e in alcuni protisti, convertono lenergia solare in energia chimica, immagazzinandola negli zuccheri. Sono dotati di membrane interne chiamate tilacoidi o membrane tilacoidali accumulate in strutture chiamate grani (granum, grana) TEM 9750 Cloroplasto Stroma Spazio tra le membrane Membrana interna ed esterna Grano Figura 4.13 I cloroplasti e i mitocondri, convertitori di energia

4.14 I mitocondri convertono lenergia chimica presente negli alimenti in energia utilizzabile dalla cellula Figura 4.14 Mitocondrio Membrana esterna Spazio intermembrana Matrice Membrana interna Creste TEM Nei mitocondri avviene la respirazione cellulare che converte lenergia chimica degli alimenti in energia chimica di una molecola di ATP (adenosina trifosfato), la principale fonte di energia per il lavoro cellulare.

Il citoscheletro e le strutture ad esso correlate 4.15 Lo scheletro delle cellule è costituito da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi Il citoscheletro è costituito da una rete di fibre proteiche di sostegno. Subunità di actina Microfilamento 7 nm Subunità fibrosa 10 nm Filamento intermedio Microtubulo 25 nm Subunità di tubulina Figura 4.15

I microfilamenti di actina permettono alle cellule di cambiare forma e di muoversi. I filamenti intermedi rinforzano la cellula e tengono bloccati alcuni organuli. I microtubuli conferiscono rigidità alla cellula e svolgono funzione di ancoraggio per gli organuli e di guida per i loro movimenti.

4.16 Le ciglia e i flagelli si muovono flettendo i microtubuli Le ciglia e i flagelli sono appendici locomotorie di alcune cellule eucariotiche. LM 600 Colorizzata SEM 4100 Figura 4.16AFigura 4.16B

Nelle ciglia e nei flagelli, gruppi di microtubuli hanno funzione di sostegno e consentono il movimento ondeggiante tipico di questi organuli. Figura 4.16C Flagello Fotografie al microscopio elettronico di sezioni trasversali Flagello Corpo dorsale Corpo basale (strutturalmente identico al centriolo) TEM Membrana plasmatica Braccia di dineina Braccia radiali Microtubuli centrali Coppia di microtubuli esterni

Superfici e giunzioni cellulari 4.17 Le pareti supportano le cellule e le giunzioni ne consentono lattività coordinata nei tessuti Gli eucarioti sono per la maggior parte organismi pluricellulari, in cui le cellule si devono coordinare per costituire un unico organismo. Le cellule interagiscono tra di loro e con il loro ambiente attraverso la loro superficie.

Le cellule vegetali sono sostenute da pareti cellulari rigide fatte per la maggior parte di cellulosa. Tra due cellule vegetali adiacenti si trovano numerosi canali (plasmodesmi), ovvero giunzioni cellulari che formano un sistema di comunicazione allinterno dei tessuti vegetali. Pareti di due cellule vegetali adiacenti Figura 4.17A Membrana plasmatica Citoplasma Plasmodesmi Vacuolo Strati di una parete di cellula vegetale

Le cellule animali sono prive di pareti cellulari rigide ma la maggior parte di esse secerne uno strato appiccicoso di glicoproteine, la matrice extracellulare. La matrice tiene unite le cellule nei tessuti.

Gli organuli eucariotici e le loro funzioni: un riepilogo