1. Introduzione alla cellula la più piccola unità strutturale e funzionale della materia vivente capace di esistenza indipendente contiene materiale protetto da copyright, ad esclusivo uso personale; non è
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LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DEI VIVENTI 1
A coniare il termine cellula (dal latino: piccola camera) fu Robert Hooke (1635 -­‐ 1703), che utilizzando un microscopio di sua invenzione, osservò una somiglianza tra la struttura del sughero e le piccole camere dei monasteri. Le sue osservazioni sull’anatomia di diversi insetti furono pubblicate nel libro Micrographia (1685) vero best-­‐seller dell’epoca usato fino all’ottocento Anton van Leeuwenhoek (1632-­‐1723) scienziato dile<ante, autore delle prime osservazioni al microscopio di rilievo biologico, noto per avere posto le basi della biologia cellulare e della microbiologia, scoprendo i protozoi nel 1674 e successivamente anche i globuli rossi e gli spermatozoi. Illustrazione del microscopio di van Leeuwenhoek 2
LA TEORIA CELLULARE 1838 Schleiden, botanico tedesco, concluse che tutti i tessuti vegetali sono costruiti da insiemi organizzati di cellule. 1839 Schwann, zoologo tedesco, estese le osservazioni ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli esseri viventi. 1858 Virchow, medico tedesco, concluse che tutte le cellule derivano da cellule preesistenti Ma<hias Schleiden (1804-­‐1881) Theodor Schwann (1810–1882) Rudolf Virchow (1821–1902) la moderna TEORIA CELLULARE enuncia che 1. Gli organismi viventi sono composti da una o più cellule 2. Le cellule sono le unità funzionali di tutti gli organismi viventi 3. ogni cellula deriva da un’altra cellula preesistente 4. L’informazione genetica è trasmessa da una generazione all’altra 5. Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo avvengono all’interno delle cellule 3
Caratteristiche comuni a tutte le cellule • Tulle le cellule (Procarioti & Eucarioti) contengono DNA • Tulle le cellule sono dotate di una membrana plasmatica, che separa l’ambiente interno della cellula dall’ambiente esterno • Tulle le cellule sono in grado di completare alcune funzioni metaboliche di base – Sintesi e degradazione di molecole – Produzione di energia – Assunzione di materiali dall’esterno ed “eliminazione dei rifiuti” – Movimento e comunicazione – Regolazione e coordinazione delle attivita’ Esistono mol; ;pi di cellule diversi tra loro ma tu=e le cellule hanno in comune alcune cara=eris;che fondamentali. Sono separate dall'esterno mediante una “membrana plasmatica” Contengono una serie di istruzioni genetiche sotto forma di DNA All'interno della cellula c'è il citoplasma, in cui si trovano le parti specializzate necessarie alla vita 4
Il frazionamento cellulare permette di separare le componenti cellulari da KLEINSMITH & KISH Principi di biologia cellulare e molecolare
Le cellule hanno dimensione, forma e funzioni diverse 5
La forma della cellula è legata allo stato di aggregazione e alla sua funzione: c. sferoidali, che in genere sono quelle che si trovano libere in un mezzo liquido (globuli bianchi, cellule uovo); ma la maggior parte delle cellule assume la forma più varia in seguito alle spinte meccaniche e alle pressioni delle cellule con;gue: si hanno così cellule a piramide, a cubo, a prisma, a poliedro. Dimensioni delle cellule NB I so=omul;pli pico e femto (10-­‐15) non sono comunemente usa; nelle misure di lunghezza, ma sono in uso per altre misure (es. picogrammi, femtomoli) 6
Dimensioni delle cellule le cellule sono normalmente piccolissime, con dimensioni comprese tra 0,4 e 100 um Occhio umano = un decimo di millimetro (100 µm) Microscopio ottico = un decimo di micron (100 nm) IL NOSTRO OCCHIO RIESCE A PERCEPIRE COME SEPARATI DUE PUNTI SE DISTANO ALMENO 0.2 mm IL VALORE DI 0.2 mm VIENE QUINDI DEFINITO COME IL LIMITE DI RISOLUZIONE DELL’OCCHIO UMANO LA MAGGIOR PARTE DELLE CELLULE HA UN DIAMETRO INFERIORE A 100 μm (0.1 mm). QUESTO VALORE È < AL LIMITE DI RISOLUZIONE DEL NOSTRO OCCHIO. ANCHE NEL CASO DELLE CELLULE PIU’ GRANDI NON SIAMO IN GRADO DI DISTINGUERE ALCUN DETTAGLIO, POICHÉ GLI ORGANELLI INTERNI HANNO DIMENSIONI DELL’ORDINE DEL μm 7
I microscopi ci perme=ono di esplorare l’interno delle cellule Il microscopio oSco (LM, Light Microscope) perme<e di vedere forma e stru<ura di una cellula Ingrandisce le cellule (vive e conservate) fino a 1000 volte le loro dimensioni reali. Oculare Lena dell’oculare Lena dell’obiebvo Campione Lena del condensatore Fonte di luce Il microscopio ele=ronico ha un potere di risoluzione molto più elevato (è in grado d’ingrandire un’immagine anche 100 000 volte) e rivela i de<agli cellulari. In tutti gli organismi, anche quelli grandi, le dimensioni delle cellule sono più o meno le stesse. Perché le cellule sono piccole? principio fisico: “rapporto superficie/ volume” la cellula vive in dipendenza dallo scambio di alcuni materiali con l’ambiente esterno, attraverso la membrana che ricopre la superficie della cellula. Se si aumentasse il volume della cellula, si aumenterebbe anche la quantità dei materiali da trasportare. Ma il volume aumenta molto più rapidamente della superficie una cellula molto grande scambierebbe i materiali troppo lentamente per riuscire a vivere Ci sono dei limiti alle dimensioni rappresentato dal rapporto tra la superficie e il volume della cellula. 8
Quali sono i limi; delle dimensioni cellulari? Perché le dimensioni delle cellule non possono superare cer; limi;? S = 6L2 V = L3 REGOLA S/V:
all’ aumentare della grandezza delle cellule,
la S cellulare aumenta meno rispetto al suo V
Le cellule piccole hanno un rapporto superficie/volume alto, che perme<e di avere una membrana più estesa per effe<uare gli scambi Grandi organismi = molte cellule Le cellule di un elefante non sono più grandi di quelle di una formica http://sun.menloschool.org/~dspence/biology/chapter6/chapt6_1.html
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Perché le cellule rientrano tutte in un breve intervallo di dimensioni (da 1 a 100 μm) ? • Il limite superiore dipende da: – Minimo rapporto tra area di superficie e volume – Tassi di diffusione delle molecole – Concentrazione locale di substrati ed enzimi • Il limite inferiore dipende da: -­‐ Numero minimo di substrati ed enzimi -­‐ Volume minimo per contenere il DNA Il volume e’ correlato al metabolismo, mentre dalla superficie dipende la quantita’ di sostanze che puo’ transitare dall’esterno alla cellula e viceversa ECCEZIONI UNA CELLULA NERVOSA PUÒ AVERE PROLUNGAMENTI LUNGHISSIMI, ANCHE DI OLTRE UN METRO I prolungamen; delle cellule nervose, pur essendo molto lunghi, sono estremamente so,li: gli scambi quindi possono avvenire con facilità. Inoltre dispongono di meccanismi efficien; di trasporto interno delle sostanze TUORLO UOVO DI GALLINA, FORMATO DA UNA SOLA CELLULA, HA UN DIAMETRO DI DIVERSI CENTIMETRI Le uova, pur essendo talvolta enormi, sono in gran parte occupate da sostanze nutrien; di riserva. La porzione a,va metabolicamente è limitata ad una piccola e soSle area superficiale di poche decine di μm 10
Le prime cellule Batteri circa 3,8 miliardi di anni fa. Eucarioti circa 1,7 miliardi di anni fa. 11
L’ORIGINE DELLA VITA
Origine delle cellule
Ipotesi Autotrofa
il primo organismo era capace di autonutrirsi (qualcosa di simile alle piante
fotosintetiche), cioè di autosintetizzare le molecole di cui aveva bisogno.
Ipotesi eterotrofa
il primo organismo simile ad un virus con una forma di vita molto semplice
circondato da un ambiente formato da complesse molecole organiche.
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I’ipotesi autotrofa nasce dall’osservazione che gli animali (eterotrofi) per vivere hanno bisogno delle piante (autotrofe), mentre le piante per vivere non hanno bisogno di nessuno. MA Com’è possibile che gli autotrofi, che sono organismi costituiti di sostanza organica ben organizzata, siano comparsi prima delle sostanze che essi stessi producono? Inoltre gli autotrofi, per certi aspetti, sono più complessi degli eterotrofi e quindi supporre che siano comparsi per primi contraddirebbe la teoria evoluzionistica, secondo cui le forme di vita più semplici precedono quelle più complesse, e non le seguono. Obiezione fondamentale: Le molecole organiche si pensava che potessero originarsi solo da viventi per biosintesi per cui non potevano preesistere alla vita stessa 13
la vita comincia con strutture autoreplicanti La vita si è sviluppata a partire da materiali non viventi ordinati in aggregati molecolari, che, un po’ alla volta acquisirono la capacità di autoreplicarsi e di compiere reazioni metaboliche. La prima cellula vivente era un entità autoreplicante circondata da membrana Passaggio da un’iniziale comunicazione incontrollata tra l’interno e l’esterno di questi sistemi alla capacità di mantenere condizioni diverse all’interno rispetto all’esterno. da Cellule – B. Lewin, Zanichelli
L’ipotesi più credibile prevede che processi chimici e fisici nell’ambiente della Terra primordiale finirono per produrre cellule rudimentali attraverso una serie di stadi. 14
MATERIA NON VIVENTE MATERIA VIVENTE (ORGANICA) EVOLUZIONE CHIMICA PRIME CELLULE PROCARIOTICHE EVOLUZIONE BIOLOGICA PRIME CELLULE EUCARIOTICHE Ipotesi Oparin (1922) l’atmosfera primitiva conteneva: METANO, AMMONIACA, IDROGENO, VAPORE ACQUEO Le reazioni chimiche tra queste sostanze avrebbero originato le prime molecole organiche, che sono le molecole basilari degli esseri viventi L’atmosfera riducente (senza ossigeno) avrebbe favorito la formazione di molecole complesse a partire da molecole più semplici 15
Evoluzione chimica: 1
2
3
4
Sintesi abiotica di piccole molecole organiche. Formazione di polimeri. Origine di molecole autoreplicantesi. Impacchettamento in protobionti circondati da membrana. EVOLUZIONE CHIMICA [I tappa]
Esperimento di Miller-­‐Urey (1953) di simulazione delle condizioni presenti sulla Terra primitiva: • Riscaldamento dell’acqua in presenza di CH4, NH3, and H2 • la miscela vaporizzata viene colpita da scariche elettriche. • Si ottiene produzione ed accumulo di composti organici da Invito alla Biologia; Curtis, Barnes; Zanichelli
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Composti ottenuti durante l’esperimento di Miller-Urey
EVOLUZIONE CHIMICA [II tappa]
Formazione spontanea di polinucleotidi e polipeptidi per
polimerizzazione casuale.
verificata facendo sgocciolare soluzioni di monomeri su sabbia, argilla o rocce calde. 17
EVOLUZIONE CHIMICA [III tappa]
Replicazione abiotica dell’RNA
Riproduzione di polinucleotidi a partire da stampi precostituiti, in base all’appaiamento spontaneo delle basi complementari. A
G
A
G
U
C
U
A
G
G
C
C
C
G
A
A C G U
A
U
U
U G
C A U
(“mattoni” dell’RNA)
U G C A U
Assemblaggio di una
G
MONOMERI
A
G C U A
G G C U U U
Formazione di semplici
1
«GENI», costituiti da brevi
polimeri di RNA
2 catena di RNA complementare
(primo passo della duplicazione
del gene originale)
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EVOLUZIONE CHIMICA [III tappa]
Replicazione di una sequenza di RNA Semplici membrane potrebbero aver protetto questi aggregati molecolari formati da RNA e PROTEINE, su cui la selezione naturale avrebbe agito favorendo un grado via via maggiore di cooperazione molecolare che avrebbe poi dato origine alle PRIME CELLULE PROCARIOTICHE EVOLUZIONE BIOLOGICA
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EVOLUZIONE BIOLOGICA
Possibili stadi di evoluzione di
cellule simili a quelle attuali a
partire da sistemi semplici di
molecole di RNA autoreplicantisi
L’ORIGINE DELLA CELLULA EUCARIOTICA
La complessità della cellula eucariotica si è evoluta a partire da strutture preesistenti (cellule procarioti ancestrali) grazie a ripetizioni seriali dei seguenti processi: -­‐ invaginazioni della membrana plasmatica -­‐ endosimbiosi. 20
L’endosimbiosi primaria coinvolge l’ingresso di un batterio in un altro organismo vivente. L’endosimbiosi secondaria avviene quando lo stesso prodotto dell’endosimbiosi primaria viene inglobato e trattenuto da un altro vivente eucariote. L’endosimbiosi secondaria è avvenuta molte volte e ha dato luogo a gruppi estremamente diversi di alghe e altri eucarioti. da Cellule – B. Lewin, Zanichelli
Le cellule sono tutte uguali? • Sono delimitate da una membrana plasmaaca il cui ruolo principale è separare la cellula dall'ambiente esterno e di proteggerla; • All'interno contengono una massa gelaanosa, il citoplasma; • Contengono il materiale geneaco, cioè il DNA. 21
da Cellule – B. Lewin, Zanichelli
Due modelli
Ogni cellula presente sulla Terra può appartenere a due grandi categorie: • CELLULE PROCARIOTE (archiba<eri, ba<eri) • CELLULE EUCARIOTE (proasa unicellulari, organismi pluricellulari) 22
La divisione dei viventi
da http://it.wikipedia.org/wiki/Regno_(biologia)
L’albero della vita – The tree of life
da www.broad.mit.edu/.../results_tree_figure.html
• Gli esseri viventi oggi esistenti si sono formati da altri esseri viventi piu’ ancestrali e
sono legati da relazioni di tipo evolutivo, schematizzabili in alberi filogenetici
• Lo studio del patrimonio genetico delle specie permette di ricostruirne la storia
passata e le relazioni con altre specie
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Mancano di nucleo Organizzazione più semplice Hanno un nucleo Organizzazione più complicata Dimensione più piccola http://medicinapertutti.altervista.org/
argomento/cellula-procariotica
Sono più grandi http://medicinapertutti.altervista.org/argomento/
cellula-eucariotica
Caratteristiche delle cellule procariotiche ed eucariotiche PROCARIOTI (1-­‐2 µm) (ba=eri, alghe azzurre, ecc.) -­‐106/107 bp per 1000-­‐4000 geni Due domini dis;n; -­‐ Archeoba=eri ambien; estremi e non. Dal DNA alle proteine simili agli eucario;. Metabolismo simile agli euba=eri Micoplasma 4580070 nt per 477 geni -­‐Euba=eri la > parte, si incontrano nella vita di tub i giorni 24
EUCARIOTI (20-­‐30 µm) (c. animali, vegetali, fungine e pro;s;) -­‐ Unicellulari -­‐ Pluricellulari: diversi ;pi cellulari specializza; (differenziamento) (Uomo: 100 000 miliardi di cellule) 25
Dimensioni delle cellule a confronto
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