La cellula
© Emilio Padoa-Schioppa
Cellula
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Teoria cellulare
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Teoria cellulare
Organizzazione e dimensioni della cellula
Metodi di studio della cellula
Cellule procariote ed eucariote
Nucleo cellulare
Organuli citoplasmatici
Citoscheletro
Involucri cellulari
Membrane cellulari
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Tutti gli organismi sono costituiti da una o più cellule
Perché la cellula?
Natura modulare degli organismi
Patrimonio genetico contenuto all’interno di ogni cellula
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Organizzazione cellulare
Come si studia la cellula
Ogni cellula ha bisogno di mantenere separato il
proprio contenuto interno dall’ambiente esterno.
Di conseguenza ogni cellula è circondata da una
membrana plasmatica
• Microscopio ottico e microscopio
elettronico
Da Figura 4-4 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
Da Figura 7-1 Campbell & Reece
© Emilio Padoa-Schioppa
Da figura 41 Solomon, Berg, Martin
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Dimensione delle cellule
Cellule procariote ed eucariote
Perché la maggior parte delle cellule è microscopica?
450
60
2 mm
Superficie totale (mm2)
50
350
300
40
250
30
200
150
20
100
10
rapporto superficie/volume
400
Tutte le cellule condividono numerose strutture di base:
sono tutte delimitate da membrana plasmatica, e
all’interno della membrana plasmatica vi è
una
sostanza semifluida detta citosol.
• Cellula procariota (nucleo rudimentale).
• Cellula eucariota (nucleo ben formato).
50
0
0
1
8
64
512
4096
n° cubi
Superficie
Volume
Cromatina
Nucleolo
1 mm
Mitocondrio
Superficie volume
La superficie della cellula deve permettere gli scambi con
l’ambiente esterno. A parità di volume complessivo, più
cellule di piccole dimensioni garantiscono una superficie
maggiore
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Sottosistema
(il nucleo)
Ribosoma
Cloroplasto
Sistema: la cellula
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Cellule procariote
Cellule procariote
• Le cellule procariote non hanno nucleo né
organelli
delimitati da membrana. Sono più piccole di quelle
eucariote : il loro diametro varia infatti da circa 0,30,5 micrometri a 1-10 micrometri.
• Tra gli organismi procarioti vi sono:
• i batteri,
• archebatteri.
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Da: www.mib.infm.it/ a1/a1gp/quarta/page6.html
• Come confermano testimonianze fossili le cellule
procariote sono più primitive di quelle eucariote.
Secondo alcuni
scienziati le cellule eucariote si
sarebbero evoluto per simbiosi tra diversi procarioti. A
sostegno di questa teoria vi è il fatto che la maggior
parte dei procarioti ha circa le stesse dimensioni di
alcuni organelli cellulari degli eucarioti . Inoltre alcuni
procarioti attuali vivono all'interno di cellule eucariote
come simbionti.
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Cellule eucariote
Cellule procariote
I procarioti si evolsero quasi sicuramente prima che
l'atmosfera contenesse ossigeno. Infatti oggi alcuni
batteri riescono a vivere anche in assenza di ossigeno.
I procarioti rappresentano
la parte più cospicua della
biomassa terrestre, cioè
delle forme viventi sulla
terra.
Le cellule eucariote sono caratterizzate dalla presenza di organelli
delimitati da membrane. Vi si riconosce:
•un nucleo, che contiene il materiale ereditario (DNA);
•un gel omogeneo, detto protoplasma (citoplasma/nucleoplasma e
parte liquida detta citosol);
•una serie di organelli (variano tra cellule animali e vegetali);
•un’impalcatura di sostegno, il citoscheletro;
•una parete cellulare (almeno per piante, funghi e batteri)
Da figure 4-7 e 4-8 Solomon, Berg,
Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
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Cellule eucariote
Cellule eucariote
•Tra cellule animali e
vegetali si osservano
numerose differenze
© Emilio Padoa-Schioppa
Da figure 4-9 e 4-10 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
Il nucleo
Cellule eucariote
© Emilio Padoa-Schioppa
Il nucleo è l’organulo più
evidente della cellula (5µm).
Attorno al nucleo vi è un
involucro nucleare costituito da
due membrane, che in alcuni
punti si fondono formando i pori
nucleari.
L’informazione della cellula è
conservata sotto forma di DNA
(sequenze di nucleotidi che
contengono tutte le istruzioni
per la produzione delle
Da figure 4-11 Solomon, Berg, Martin
proteine).
Nel nucleo il DNA può replicarsi o trascrivere la sua informazione in
molecole di RNA messaggero che passano nel citoplasma dove sono
sintetizzate le proteine .
Nel nucleo il DNA è associato con alcune proteine a formare la
cromatina (struttura organizzata).
Da Figura 7-8 Campbell & Reece
Ribosomi
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Sistema endomembranoso
Da Figura 7-10 Campbell & Reece
Organuli non membranosi adibiti alla sintesi delle proteine.Sono
particelle costituite da RNA. Ogni ribosoma è costituito da due
subunità.
Si possono avere ribosomi liberi (sospesi nel citosol) e ribosomi
legati al reticolo endoplasmatico
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Da Figura 7-9 Campbell & Reece
Il labirinto di membrane interne che si
osserva al microscopio elettronico è detto
reticolo endoplasmatico. Sono membrane, a
forma di sacche appiattite, che originano
diversi
compartimenti
all’interno
del
citoplasma. Si distingue.
•R.E. liscio, sede primaria del metabolismo
dei fosfolipidi, degli steroidi e degli acidi
grassi.
•R.E. rugoso (sulla sua superficie vi sono i
ribosomi), svolge un ruolo primario nella
sintesi e nell’assemblaggio delle proteine.
Figura 4-12 Solomon, Berg, Martin
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Apparato di
Golgi
Lisosomi e perossisomi
I lisosomi sono piccole vescicole, piene di
enzimi litici, disperse nel citoplasma.
Gli enzimi che si trovano all’interno dei
lisosomi permettono di degradare molecole
complesse.
Il complesso del Golgi è
costituito da pile di
sacche membranose,
dette cisterne.
Il suo ruolo principale è
quello di elaborare,
selezionare e
modificare le proteine.
Da Figura 7-14
Campbell & Reece
Il tipico percorso di una proteina destinata ad essere secreta dalla cellula
è: sintesi della proteina sui ribosomi, aggiunta di una componente
carboidratica nel R.E., passaggio nella superficie cis dell’apparato del Golgi
tramite vescicole di trasporto, ulteriori modifiche, trasporto dalla
superficie trans del Golgi alla membrana plasmatica tramite vescicole,
rilascio del contenuto dalla cellula
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I perossisomi (altri organuli con membrana)
permettono di catalizzare le reazioni nelle
quali l’idrogeno è trasferito dai vari
composti dell’ossigeno
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Vacuoli
•
Figura 4-14 Solomon, Berg, Martin
Mitocondri e cloroplasti
• Sono gli organuli predisposti per la trasformazione
dell’energia
Nelle cellule vegetali (sono
presenti anche in alcune cellule
animali) c’è un grande organulo,
detto vacuolo che può contenere
acqua di riserva, Sali pigmenti e
rifiuti
Da Figura 7-15 Campbell & Reece
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Cloroplasti
Mitocondri
• I cloroplasti trasformano l’energia luminosa in energia
chimica mediante un processo fotosintetico.
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Figura 4-17 Solomon, Berg, Martin
Da Figura 7-18 Campbell & Reece
• I mitocondri producono ATP attraverso il processo
cellulare.
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Da Figura 7-17 Campbell & Reece
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Citoscheletro
Citoscheletro
• E’ una struttura dinamica, costituita da tre tipi di
filamenti: microtubuli, microfilamenti e filamenti
intermedi
Figura 4-20 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
Da Figura 7-20 Campbell & Reece
Involucro cellulare
Nelle cellule vegetali si ha
una
parete
cellulare
(microfibre
di
cellulosa
immerse in una matrice di
altri
polisaccaridi
e
di
proteine).
Le cellule animali non hanno
pareti cellulari ma una
matrice
extracellulare
(formata da glicoproteine
prodotte dalla cellula)
• I microtubuli sono i filamenti più spessi
del citoscheletro (diametro di 25 nm) e
raggiungono la lunghezza di qualche µm.
• Sono costituiti da due proteine (α- βtubolina che formano tra loro un dimero)
• Hanno una polarità
• Sono ancorati ad altre parti della cellula,
e nelle cellule che non si stanno dividendo
l’estremità meno è ancorata ad una
regione MTOC (Micro Tubule Organizing
Center) .
• Nelle cellule animali il MTOC principale è
detto centrosoma, in cui vi sono due
strutture dette centrioli che formano
due cilindri cavi
Figura 4-22 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
Proprietà delle membrane biologiche
Da Figura 7-29 Campbell & Reece
Le membrane biologiche sono costituite da fosfolipidi
disposti in doppio strato e da proteine.
I fosfolipidi hanno la caratteristica di essere molecole
anfipatiche (cioè con una estremità idrofila e una
idrofoba), e essendo disposti in doppio strato
permettono di impermeabilizzare la cellula.
Figura 5-1 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
Da Figura 7-28 Campbell & Reece
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Modello a mosaico fluido
Membrana biologica
• Il modello a mosaico fluido suggerisce che le
proteine siano disperse e immerse nel doppio strato
fosfolipidico, che si trova in uno stato fluido.
Figura 5-3 Solomon, Berg, Martin
Figura 5-2 Solomon, Berg, Martin
Figura 5-6 Solomon, Berg, Martin
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Figura 5-4 Solomon, Berg, Martin
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Trasporto
Proteine di membrana
• Trasporto
passivo
• Le proteine di membrana
possono essere integrali o
periferiche.
• Sono orientate in maniera
asimmetrica
all’interno
del
doppio strato.
• Hanno funzione di trasporto, di
trasferimento dell’informazione
ed enzimatica.
•Diffusione
•Diffusione
facilitata
• Trasporto
attivo
Figura 5-9 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Bilancio idrico nelle cellule viventi
Diffusione e osmosi
• La diffusione semplice è
un processo fisico basato
su
movimenti
casuali.
Quando
si
ha
una
differenza
di
concentrazione all’interno
di
una
soluzione
le
molecole
del
soluto
tendono a diffondersi nel
solvente fino ad avere
una
distribuzione
uniforme.
• Osmosi è la diffusione di
acqua
attraverso
una
membrana semipermeabile
Da Figura 8-16 Campbell & Reece
Le pareti cellulari rigide di piante e batteri permettono una differenza di
concentrazione (l’interno della cellula è ipertonico rispetto all’esterno).
L’acqua tende a entrare per osmosi, riempendo i vacuoli centrali e
rigonfiando le cellule (si crea una pressione della pressione di turgore).
Figura 5-10 Solomon, Berg, Martin
Da Figura 8-12 Campbell & Reece
Figura 5-13 Solomon, Berg, Martin
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Da Figura 8-11 Campbell & Reece
Trasporto passivo (diffusione facilitata)
• La diffusione facilitata
avviene secondo il gradiente
di concentrazione.
• La membrana, può essere
resa permeabile ad alcune
sostanze (ioni o molecole
polari) grazie ad una proteina
di trasporto.
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Trasporto attivo (diffusione contro
gradiente)
• Il trasporto attivo avviene
quando gli ioni vengono
trasportati contro il loro
gradiente (richiede energia)
Figura 5-15 Solomon, Berg, Martin
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Da Figura 8-14 Campbell & Reece
© Emilio Padoa-Schioppa
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Esocitosi
• Particelle di
grandi
dimensioni
vengono
espulse dalla
cellula per
mezzo di
vescicole
Endocitosi
• Particelle di grandi
dimensioni vengono
inglobate nella cellula
per mezzo di vescicole
Figura 5-17 Solomon, Berg, Martin
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Da Figura 8-19 Campbell & Reece
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