LA CELLULA
La scoperta delle cellule
• Robert Hooke (Metà del Seicento)
– Osservò una fetta di sughero
– Vide “una fila di piccole celle”
– Coniò il termine di cellula
Cellule
• L’unità vivente più piccola
• La maggior parte è microscopica
(nell’ordine dei micron)
Principi della teoria cellulare
Seconda metà del 1800
Theodor Schwann e Rudolf Virchow
• Tutti gli esseri viventi sono composti da cellule
• La più piccola unità strutturale e funzionale di
tutti gli organismi è la cellula
• Tutte le cellule derivano da una cellula
preesistente
Dimensione delle cellule
Perchè le cellule sono piccole?
Numero di cellule
Superficie totale
Volume totale
Superficie/volume
Limiti alle dimensioni della cellula
La superficie della cellula determina la quantità di sostanze che
essa può assumere dall’ambiente esterno e la quantità di rifiuti
che può rilasciare
Al crescere del volume cellulare cresce anche la superficie, ma
non con la stessa “velocità”
La superficie aumenta secondo i
quadrati, il volume secondo i cubi
quindi il rapporto superficie/volume
diminuisce.
Man mano che la cellula si ingrandisce
il suo volume aumenta in misura
maggiore rispetto alla superficie
Man mano che la cellula diviene più grande aumenta la velocità con cui produce
rifiuti e la sua necessità di nutrienti, e la superficie di scambio a un certo punto
7
non basta più.
Dimensioni relative cellule eucariotiche/procariotiche
viste al microscopio ottico
Contaminazione batterica di colture cellulari
100m
Human Embryonic Kidney 293 cells
E. coli: 2 µm long and 0.5 µm in diameter
8
Caratteristiche di tutte le cellule
•
•
•
•
Una membrana di rivestimento
Citoplasma – fluido gelatinoso contenuto nelle cellule
Organelli – strutture che hanno delle funzioni
Il centro del controllo è il DNA
Tipi di cellule:
PROCARIOTE
EUCARIOTE
Gli esseri viventi sono distinti in base alla presenza del
nucleo nelle cellule: gli eucarioti lo possiedono, i
procarioti (eubatteri e aecheobatteri) no.
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Esistono in natura migliaia di cellule diverse
Cellule procarioti
• Primo tipo di cellula sulla Terra
• Sono i Batteri e gli Archea (Archebatteri)
PROCARIOTI
Organismi unicellulari o coloniali
La loro biomassa è equivalente a quella degli eucarioti
Habitat: diffusi ovunque, anche nelle nicchie ecologiche più
estreme (in condizioni di assenza di ossigeno, di alta salinità o
acidità, di alta pressione e di temperature molto alte o molto
basse).
Possono
colonizzare
un
determinato
organismo
apportandogli un certo vantaggio (simbionti dell’intestino), o non
arrecando né vantaggi né svantaggi (commensali), oppure sono
dannosi (patogeni). I batteri saprofiti si nutrono di materia
organica in decomposizione.
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Siamo superorganismi
Si stima che il numero totale di cellule microbiche presenti in
⃰
un organismo umano sia pari a quello delle cellule
dell’organismo stesso (i batteri sono c.a. il 3% della massa
totale del nostro corpo)
Ciascuno di noi possiede il proprio microbioma di batteri,
⃰
virus, lieviti appartenenti a numerosissime specie
⃰
Il microbioma varia in diversi distretti del corpo
⃰
Ciascuno di noi è un ecosistema dinamico composto da cellule
umane e dai microrganismi con cui siamo in simbiosi
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Il palmo della nostra mano ospita un invisibile microcosmo di
batteri.
Sulle 102 mani analizzate in uno studio, appartenenti a 51
individui, sono stati rinvenute ben 4.700 specie diverse! Solo 5
di queste 4.700 specie sono risultate condivise tra tutti i
partecipanti allo studio.
Solo il 17% delle specie si ritrovano nelle due mani dello
stesso individuo.
15
Cellula procariote
• Dimensioni: 1-10 micron
• Non hanno un nucleo circondato
da membrana (Nucleoide).
•Hanno una parete cellulare.
•Hanno ribosomi (organuli non
membranosi).
•Non hanno organuli membranosi.
Strutture accessorie: pili, flagelli, capsula, plasmidi
Procarioti: parete cellulare
La maggior parte dei
batteri possiede una parete
con funzione di sostegno e
resistenza osmotica, che è
costituita in genere da
peptidoglicani (polimeri di
aminozuccheri)
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Procarioti: membrana esterna
Gram
Gram
La differenza di colorazione dipende dalla diversa capacità di trattenere il colorante
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dopo trattamento con il metodo di Gram
Capsula batterica
Protezione che circonda la parete cellulare costituita
da polimeri polisaccaridici
Presente solo in certi ceppi batterici
La sua presenza può aumentare la patogenicità di
determinati batteri (ostacola la fagocitosi da parte di
macrofagi e neutrofili)
Streptococcus pneumoniae:
ceppo capsulato che causa
polmonite batterica, quello non
capsulato è innocuo
19
20
Micoplasmi
Sono le più piccole cellule capaci di
vita autonoma
A differenza degli altri procarioti:
non possiedono una parete
cellulare
hanno
colesterolo
nella
membrana
cellulare
(per
compensare
la
rigidità
normalmente data dalla parete)
M. pneumoniae21
Flagelli
I flagelli sono strutture elicoidali cave costituite
da subunità proteiche di flagellina. Un motore “a
protoni” fa ruotare il flagello attorno al suo asse.
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Flagelli: velocità di locomozione
La rotazione dei flagelli fa muovere il batterio attraverso un
mezzo liquido alla velocità di 0.00017 km/h che corrisponde a 60
lunghezze cellulari/sec
La rotazione dei flagelli fa muovere il batterio attraverso un
Un ghepardo può correre a 110km/h, che corrisponde circa a 25
lughezze-corpo/secondo
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Materiale genetico
Il DNA è una singola molecola ad anello (cromosoma
batterico), non racchiuso all’interno di una membrana, ma
libero nel citoplasma (la cellula procariote è priva di nucleo).
Il DNA è connesso con la membrana a livello del mesosoma.
Il cromosoma batterico contiene le informazioni essenziali
per la cellula batterica.
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Episomi e plasmidi
Informazione genetica addizionale (es.: geni
per resistenza agli antibiotici) può trovarsi in
episomi e plasmidi
Piccole molecole di DNA circolare extracromosomico capaci di replicazione autonoma
L’episoma, a differenza del plasmide, può
anche integrarsi nel cromosoma batterico
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Cellula eucariote
•
•
•
•
Come le cellule procariotiche le cellule eucariotiche
hanno una membrana citoplasmatica, il citoplasma e i
ribosomi.
Il nucleo è circondato da membrane
E’ presente nei funghi, protisti, piante animali
Contiene molti organelli
Dimensioni: in media 50 micron
Il citoplasma delle cellule eucariotiche presenta
compartimenti il cui spazio interno è separato da
membrane
CELLULA EUCARIOTICA
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Schema di cellula animale
Schema di cellula vegetale
Teoria endosimbiotica
Le cellule moderne derivano da una simbiosi
tra cellule batteriche
Alcuni organelli cellulari derivano da batteri simbiotici
(cloroplasti, mitocondri)
Membrana plasmatica
•
•
•
•
Delimita le cellule
Separa l’ambiente extracellulare da quello intracellulare
Regola I passaggi di sostanze dentro e fuori dalla cellula
Regola l’omeostasi cellulare
La membrana cellulare
E’ un MOSAICO FLUIDO
Formata da:
•Un doppio strato fosfolipidico
•Proteine
•Colesterolo
•Glucidi
Fosfolipidi
Testa idrofilica (gruppo fosfato)
Coda idrofobica (acidi grassi)
Interagiscono con l’acqua
disponendosi in doppio strato
Non si formano legami chimici
tra i fosfolipidi
Movimento attraverso la membrana
• Poche molecole l’attraversano liberamente
– molecole piccole, neutre e lipososubili
– Acqua (attraverso canali detti acquaporine)
• Altre molecole sono trasportate da proteine
– Inserite nel doppio strato lipidico
– Modello del mosaico fluido – descrive la natura
fluida di un doppio strato lipidico in cui sono
inserite proteine
Proteine di membrana
• Canali per il trasporto
- Spostano le molecole in una direzione
• Recettori
- Riconoscono molecole chimiche
• Enzimi
- Catalizzano le reazioni chimiche
• Glicoproteine
- Identificano il tipo di cellule
- Riconoscono molecole chimiche
Proteina-canale
Le porzioni del canale proteico a contatto con le code apolari della
membrana saranno idrofobiche, quelle esposte verso l’ambiente
extracellulare e il citoplasma e la porzione interna del canale saranno
37
idrofiliche
Recettore di superficie
Cambiamento
di conformazione
Il legame ligando-recettore induce un cambiamento di
conformazione nel recettore, che si traduce in una risposta
intracellulare
38
Parete cellulare
•
•
•
•
Si trova in piante, funghi e molti protisti
Riveste la membrana plasmatica
Sostiene le cellule
E’ una struttura rigida
Citoplasma
• Fluido viscoso che contiene
organelli
– Filamenti e fibre
interconnesse
– Fluido = citosol (soluz.)
acquosa
– Organelli
Organelli membranosi
• Componenti funzionali all’interno del citoplasma
• Collegati alla membrana cellulare
• Formano il sistema di membrane interno alla
cellula
Nucleo
• Centro di controllo della
cellula contiene il DNA
• E’ circondato da una
doppia membrana
(membrana nucleare)
Pori nucleari
Membrana nucleare
esterna
Membrana nucleare
interna
Il complesso del poro è costituito da una trentina di proteine diverse.
Soluti a basso PM diffondono liberamente attraverso il poro; il transito
di RNA e proteine è regolato
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DNA
Materiale ereditario:
DNA+PROTEINE
• Cromatina (cellula che non si
divide)
• Cromosomi (Si formano
durante la divisione cellulare)
Nucleolo
• Struttura NON delimitata da
membrana;
• è una regione del nucleo che
risulta particolarmente densa
al microscopio;
• è costituito dalle anse di DNA
contenenti i geni per gli rRNA
localizzati su cromosomi
diversi, e da proteine;
• la maggior parte delle cellule
ne ha almeno due;
• sintetizza l’RNA;
• sintetizza i ribosomi
Nucleo- Reticolo endoplasmatico
Sistema di membrane continuo
La membrana nucleare esterna è in continuità col reticolo endoplasmatico
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Reticolo endoplasmatico
• Trasporto di sostanze all’interno delle cellule
• E’ un sistema di membrane interconnesse
• Il sistema di membrane del RE è il più esteso
nella cellula (rappresenta più della metà della
quantità totale di membrane)
• Due tipi:
– Reticolo endoplasmatico rugoso
– Reticolo endoplasmatico liscio
Reticolo endoplasmatico rugoso
• Presenta dei ribosomi attaccati sulla superificie
– Produce proteine di membrane e detonate alla secrezione
(attraverso I ribosomi)
– Non tutti i ribosomi sono attaccati al reticolo endoplasmatico
rugoso
• Modifica le proteine sintetizzate dai ribosomi
- glicosilazione
• Forma vescicole di trasporto
Reticolo endoplasmatico liscio
• Non ha ribosomi sulla superficie
• Possiede enzimi che permettono di legare alle proteine:
- lipidi e carboidarati
• Sintetizza lipidi
-acidi grassi
-fosfolipidi
-steroidi
• Nel fegato:
-controllo rilascio di glucosio
-demolisce sostanze nocive (detossificazione)
-demolosce antibiotici
• Nel muscolo:
-immagazzina calcio
Apparato di Golgi
•
•
•
•
E’ un sistema di cisterne appiattite e vescicole
E’ coinvolto nella sintesi della parete cellulare
Raccoglie e modifica le sostanze elaborate nel R.E.
Smista le vescicole che arrivano dal R.E.
Apparato
di Golgi
Vescicole che si staccano
libro
Lisosomi
• Contengono enzimi digestivi
• Funzioni
– Sono importanti nel rinnovo
cellulare
– Degradano le parti vecchie delle
cellule
– Digeriscono gli organismi estranei
– Distruggono le membrane
interdigitali degli embrioni
Malattie da accumulo lisosomiale:
- Tay- Sachs
- Adrenoleucodistrofia
Vacuoli
• Sono camere di accumulo circondate da membrane
• Svolgono funzioni diverse a seconda della cellula
- alimentari,
- contrattili (protisti),
- funzione idrolitica, regolazione del turgore cellulare (piante)
• Nelle piante contengono:
–
–
–
–
–
Acqua
Nutrimento
Rifiuti
Pigmenti
Sostanze dannose
Mitocondrio
Organello di forma allungata
500-1000 per cellula
Membrana esterna e membrana interna (creste
mitocondriali)
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Mitocondri
•
•
•
•
•
•
Funzione: respirazione cellulare (produzione di ATP)
Sono formati da due membrane
La membrana interna presenta le creste mitocondriali
Internamente: matrice mitoconriale
Contengono DNA
Ribosomi (svolgono sintesi proteica)
Moltiplicazione dei mitocondri
Si duplicano con un sistema simile alla scissione binaria
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Da dove vengono i mitocondri?
Dimensioni simili a batterio
DNA circolare compatto simile a quello batterico
Si duplicano con un sistema simile alla scissione
binaria
I ribosomi dei mitocondri sono simili a quelli
batterici….
57
Teoria endosimbiontica
Lynn Margulis, 1967
Il mitocondrio deriverebbe da un batterio aerobio Gram - che si è
adattato a vivere all'interno di una cellula eucariotica ancestrale
anaerobia. Il batterio trova un rifugio sicuro dal mondo esterno
nella cellula eucariotica, e la cellula eucariotica sfrutta la
funzione energetica che solo il batterio/mitocondrio è in grado di
svolgere.
eucariota
ancestrale
Le simbiosi
costituiscono un
elemento importante
dell’evoluzione
fagocitosi
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L’ereditarietà mitocondriale è materna
F
E
Mitocondri
paterni
Pronucleo
femminile
C
O
N
Pronucleo
maschile
D
A
Z
I
O
N
E
Mitocondri
materni
Mitocondri
materni
Nella formazione dello zigote, il contributo genetico del
mitocondrio paterno è inesistente. I 37 geni mitocondriali
vengono ereditati unicamente dalla madre.
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Cloroplasti (plastidi)
•
•
•
•
•
Sono presenti nelle piante verdi e nelle alghe
Sono formati da una doppia membrana
Internamente: stroma , tilacoidi, grani
Funzione: fotosintesi clorofilliana
Contengono DNA e ribosomi
Citoscheletro
Reticolo di microtubuli (tubulina), microfilamenti
(actina) e filamenti intermedi distribuiti nell’intero
citoplasma
actina
fibroblasto
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Citoscheletro
• Filamenti e fibre
- movimento
- ancoraggio organuli
- separazione cromosomi
- sostiene la cellula
• Composto da tre tipi di
fibre
– Microfilamenti (actina)
– Microtubuli (tubulina)
– Filamenti intermedi
(p.fibrose)
A = actina, IF = filamenti intermedi, MT = microtubuli
Ciglia e flagelli
Estensioni
della membrana cellulare che contengono microtubuli
Appendici locomotorie
• Ciglia
– Corte e numerose
– Movimento di protozoi
– Movimento di sostanze al di
fuori dalle cellule
• Flagelli
– Lunghi e poco numerosi
– Movimento delle cellule
Struttura di ciglia e flagelli
• Sono formati da 9 coppie di microtubuli ad anello e 1coppia
centrale
• Presentano un corpo basale costituito da sole 9 triplette di
microtubuli
• Contengono una proteina motrice dineina che forma strutture
dette braccia
• Le braccia in una coppia si agganciano alla coppia successiva
• Le coppie di microtubuli sono legate da ponti proteici
• Le braccia esercitano una forza di trazione
Ciglia e flagelli
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Giunzioni cellulari
Cellule animali
• Giunzioni occludenti: uniscono saldamente le cellule (es.
rivestimento app. digerente)
• Desmosomi: ancorano le cellule in modo che resistano a
stiramenti e sollecitazioni, filamenti di cheratina ancorano
queste giunzioni al citoplasma (es. muscolo)
• Giunzioni comunicanti (Gap): canali che permettono il passaggio
di piccole molecole attraverso pori rivestiti da proteine (es.
cuore, embrione)
Cellule vegetali.
• Plasmodesmi: canali tra cellule adiacenti che le mettono in
comunicazione. La membrana e il citoplasma si estendono nei
canali permettendo il passaggio di acqua e piccole molecole
Matrice extracellulare
• Composizione: glicoproteine
- collagene:
forma intelaiatura resistente
- integrine : uniscono la matrice alla membrana, trasmettono
informazioni dalla matrice al citoscheletro
• Funzioni:
- tiene insieme le cellule nei tessuti.
- protegge e sostiene la membrana cellulare.
- regola il comportamento di una cellula, influenzando l’attività di
geni
- coordina il comportamento delle cellule di un tessuto.
