Un viaggio dentro la cellula

Le cellule: unità strutturali e funzionali Le cellule: unità strutturali e funzionali Una cellula è l’unità fondamentale della vita. È la struttura più semplice in grado di compiere tutte le attività richieste per la vita.

tipi di cellule le cellule eucarioti: le cellule procarioti tipi di cellule le cellule eucarioti: organuli racchiusi in membrane nucleo che contiene il DNA cellulare. le cellule procarioti prive di organuli e nucleo. Nucleo (al cui interno si trova il DNA) Cellula eucariote Cellula procariote DNA Organuli Figura 1.2

Classificazione: domini e regni Classificazione: domini e regni dominio: procarioti regni: Eubacteria e Archaebacteria SEM 25 000 Figura 1.4B SEM 3250 Figura 1.4A

dominio degli Eucarioti dominio degli Eucarioti comprende più regni: i protisti (protozoi e alghe, che costituiscono vari regni); Funghi Piante Animali 275 Figura 1.4C-F

microscopi Il microscopio ottico LM, dall’inglese Light Microscope, utilizza la luce per osservare un campione permette di vedere forma e struttura di una cellula. Oculare Lenti dell’oculare Lenti dell’obiettivo Campione Lenti del condensatore Fonte di luce Figura 4.1A

microscopi ottici ingrandiscono le cellule (vive e conservate) fino a 1000 volte le loro dimensioni reali ingrandimento: aumento delle dimensioni rispetto all’originale LM 1000 Figura 4.1B

Tipi diversi di microscopi ottici 220 1000 Figura 4.1E – Immagine ottenuta con un microscopio ottico a contrasto di fase. Figura 4.1F – Immagine ottenuta con un microscopio confocale a fluorescenza.

microscopio elettronico ha un potere di risoluzione molto più elevato potere di risoluzione: distanza minima fra due punti per poterli distinguere (occhio umano 0,1 mm) ingrandimento: anche 100 000 volte rivela i dettagli cellulari: dettagli esterni: microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope). dettagli interni: microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron Microscope). SEM 2000  TEM 2800  Figura 4.1C – Figura 4.1D –

dimensioni delle cellule Le cellule variano per dimensione e e forma si tratta di una porzione di spazio circondato da membrana e contenente citoplasma citoplasma: soluzione acquosa gelatinosa contenente sali e biomolecole. Figura 4.2

dimensioni cellulari sono limitate da: area superficiale abbastanza estesa da permettere scambi efficaci con l’ambiente esterno per assunzione delle sostanze nutritive per eliminazione delle sostanze di rifiuto.

Una cellula piccola ha un rapporto superficie/volume maggiore di una cellula grande della stessa forma. 30 m 10 m grosso cubo Volume= 27000m3 Area sup 5400 m2 27 piccoli cubi Volume= 27000m3 Area sup complessiva  16200 m2 Figura 4.2

Le cellule procarioti hanno una struttura più semplice delle cellule eucarioti Cellula procariote Nucleoide Nucleo Cellula eucariote Organuli Colorizzata TEM 15 000  Figura 4.3A

cellule procarioti negli eubatteri e negli archebatteri cellule piccole assenza di organuli eccetto i ribosomi non hanno un nucleo circondato da una membrana: il DNA è situato nel nucleoide. membrana cellulare ricoperta da una parete (talvolta presenza di pili e/oflagelli) Flagelli batterici Ribosomi Capsula Parete cellulare Membrana cellulare Nucleoide (DNA) Figura 4.3B Pili

cellule eucarioti presenza di un vero e proprio nucleo. sistema di membrane interne che suddivide il citoplasma zone diverse con funzioni e attività differenti, attività chimiche complessive della cellula (metabolismo cellulare: anabolismo e catabolismo).

cellula eucariota animale Una cellula animale contiene una varietà di organuli circondati da membrane. Nucleo Reticolo endoplasmatico liscio 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 Figura 4.4A

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

La membrana plasmatica CH2 CH3 CH N + O O– P C Schema di un fosfolipide Code idrofobe Testa idrofila I fosfolipidi: principali componenti strutturali formano una struttura a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico le teste (idrofile) a contatto con l’acqua, le code verso l’interno (idrofobe) Gruppo fosfato CH2 CH2 Acqua Teste Code Figura 4.5B

mosaico fluido colesterolo proteine di membrana Fibre della matrice extracellulare Carboidrato (della glicoproteina) Glicoproteina Filamenti del citoscheletro Fosfolipide Colesterolo Proteine Membrana plasmatica Glicolipide Citoplasma mosaico fluido colesterolo controllo della fluidità proteine di membrana intrinseche non intrinseche glicoproteine (glicocalice) i diversi componenti possono muoversi lateralmente nella membrana Le cellule animali secernono uno strato appiccicoso di glicoproteine, la matrice extracellulare. La matrice tiene unite le cellule nei tessuti..

sistema di membrane interne insieme di organuli circondati da membrane in comunicazione tramite membrane interne lavorano insieme nel sintetizzare, immagazzinare e distribuire i prodotti cellulari (lipidi e proteine)

connessione strutturale e funzionale. Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo endoplasmatico Vescicola di trasporto proveniente dall’apparato di Golgi Reticolo endoplasmatico ruvido Membrana plasmatica Nucleo Vacuolo Lisososma Figura 4.6 Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Apparato di Golgi

nucleo è il centro di controllo della cellula contiene il DNA l’organulo più grande contiene il nucleolo sede di sintesi dei ribosomi è separato dal citoplasma tramite la membrana nucleare presenza di pori per l’uscita di grosse molecole. Cromatina Nucleo Membrana nucleare a doppio strato Nucleolo Poro Reticolo endoplasmatico ruvido Figura 4.7 Ribosomi

reticoli endoplasmatici: RER Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) sacche (cisterne) appiattite ricoperte da ribosomi due funzioni principali: produrre componenti del sistema di membrane; assemblare e modificare le proteine (glicoproteine) destinate a essere secrete dalla cellula.

I ribosomi producono proteine secrete dalla cellula inserite nelle membrane trasportate in vescicole ad altri organuli. Vescicola di trasporto con all’interno una glicoproteina 4 Vescicola di trasporto che si stacca Catena glucidica 3 Reticolo endoplasmatico Glicoproteina 2 Polipeptide Ribosoma 1

reticolo endoplasmatico liscio costituito prevalentemente da tubuli 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 Reticolo endoplasmatico ruvido TEM 45 000 Figura 4.9

L’apparato di Golgi sacchetti appiattiti impilati uno sull’altro ricevono e modificano i prodotti del RER e REL li trasportano ad altri organuli o sulla superficie della cellula (per essere secreti). Apparato di Golgi TEM 130 000 Vescicola di trasporto prodotta dall’apparato di Golgi Lato «di uscita» dell’apparato di Golgi Apparato Lato «d’ingresso» dell’apparato di Golgi Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo Nuova vescicola in formazione Figura 4.10

lisosoma centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. 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 l’organulo danneggiato vescicola circondata da membrane. contiene enzimi idrolitici con funzioni digestive centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. demolisce le sostanze alimentari e di rifiuto delle cellule 1 2 3 5 4 Figura 4.11B

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

lisosomi particolari: perossisomi organuli circondati da membrana che contengono la perossidasi enzima in grado di trasformare il perossido di idrogeno in ossigeno e acqua TEM 42 500 Due organuli danneggiati all’interno del lisosoma Frammento di mitocondrio Frammento di perossisoma

vacuoli vescicole circondate da membrana cellule vegetali: grande vacuolo centrale che ha funzioni litiche e di riserva. cellule animali: vacuoli alimentari Nucleo Cloroplasto Vacuolo centrale Colorata TEM 8 700 Figura 4.12A

vacuoli contrattili: in alcuni protisti pompano all’esterno l’acqua in eccesso. LM 650 Nucleo Vacuoli contrattili Figura 4.12B

organuli convertitori di energia: cloroplasti nelle piante e in alcuni protisti convertono l’energia solare in energia chimica la immagazzinano negli zuccheri. contengono DNA TEM 9750 Cloroplasto Stroma Spazio tra le membrane Membrana interna ed esterna Grano Figura 4.13

mitocondri svolgono la respirazione cellulare convertono l’energia chimica presente negli alimenti in energia utilizzabile dalla cellula contengono DNA di origine materna Mitocondrio Membrana esterna Spazio intermembrana Matrice Membrana interna Creste TEM 44 880 Figura 4.14

origine di cloroplasti e mitocondri ipotesi endosimbionte Cellula ospite Endosimbiosi Mitocondrio Cloroplasto Cellula eucariotica fotosintetica Procariote mitocondri e cloroplasti derivano da procarioti simbionti di eucarioti un miliardo di anni fa acquisizione della capacità di utilizzare l’ossigeno  La membrana interna: batterica la membrana esterna: prodotta dalla cellula ospite Dati a favore dell’ipotesi:  1. la dimensione di entrambi è simile a quella di un batterio 2. contengono un loro DNA (anche se non sono autosufficienti) 3. possono dividersi formando copie simili a se stessi

Il citoscheletro 1 scheletro delle cellule fibre proteiche di sostegno 3 tipi di fibre a seconda delle dimensioni Figura 4.15

Il citoscheletro 2 I microfilamenti: permettono alle cellule di cambiare forma e di muoversi. I filamenti intermedi e i microtubuli: funzione di ancoraggio per gli organuli (es. vescicole di trasporto) e di guida per i loro movimenti. Subunità di actina Microfilamento 7 nm Subunità fibrosa 10 nm Filamento intermedio Microtubulo 25 nm Subunità di tubulina

ciglia e flagelli appendici locomotorie di alcune cellule eucariote ciglia: numerose flagello: unico o doppio costituiti da microtubuli consentono il movimento LM 600 Colorizzata SEM 4100 Figura 4.16A Figura 4.16B

ciglia e flagelli 2 Figura 4.16C Flagello sezioni trasversali Coppia di microtubuli esterni Microtubuli centrali TEM 206 500 Flagello: struttura 9 + 2 Membrana plasmatica TEM 206 500 Corpo basale Corpo basale: 9 triplette Figura 4.16C

I centrioli strutture formate da microtubuli (9 triplette) sono presenti a coppie nella cellula ruolo importante nella divisione cellulare no cellule vegetali

cellule vegetali vs animali Vacuolo centrale Plastidi: cloroplasti, leucoplasti (riserva), cromoplasti (pigmenti) Parete(cellulosa o lignina): forma precisa della cellula sostegno protezione No lisosomi né centrioli né citoscheletro né organi di locomozione no colesterolo nella membrana

Superfici e giunzioni cellulari organismi pluricellulari, coordinamento fra le cellule di un unico organismo. interazione fra cellule e con l’ambiente attraverso la loro superficie.

plasmodesmi cellule vegetali: pareti rigide Tra cellule vegetali adiacenti numerosi canali giunzioni cellulari per consentire la comunicazione all’interno dei tessuti vegetali continuità del citoplasma. Membrana plasmatica Citoplasma Plasmodesmi Vacuolo Strati di una parete di cellula vegetale Pareti di due cellule vegetali adiacenti Figura 4.17A

giunzioni: cellule animali Vari tipi di giunzioni giunzioni serrate o gap junction: mettono in contatto le cellule tra loro Desmosoma Giunzione occludente gap junction Matrice extracellulare Spazio fra le membrane cellulari Membrane cellulari di cellule adiacenti Figura 4.17B

Le categorie funzionali degli organuli cellulari 4.18 Gli organuli eucarioti sono suddivisi in quattro categorie funzionali Gli organuli ricadono in quattro categorie funzionali: assemblaggio; demolizione; trasformazioni energetiche; sostegno, movimento e comunicazione tra cellule.

Gli organuli e le loro funzioni: Tabella 4.18