La cellula
1
Che cosa hanno in comune gli esseri viventi?
Compila la tabella indicando se i nomi riportati appartengono a viventi o ai non viventi, spiega
perché i non viventi sono stati definiti tali
Vivente
Non
vivente
Perché non vivente?
Vulcano
Albero
Gallina
Tappo di sughero
Virus
Tavolo di legno
Fiore
Sasso
2
HISTORY OF THE DISCOVERY OF THE CELLS TO THE MODERN MODEL
Man took (1) a long time to understand that the fundamental singularities of all
living beings are cells.
In 1665 an English scientist and inventor, Robert Hooke, watching a piece of cork through a
rudimentary microscope, discovered (2) that it is composed by many minuscule boxes, very
similar to the monks’ cells in the monasteries (the word “cell” comes from this similitude).
With his optical instruments, however, he is not able to realize what these cells are and how
they are connected to the life of the whole plant.
In 1673 an important contribution to the cells study comes from the Dutch inventor Anton van
Leeuwenhoek, who, at London Royal Society, talks about his observations of the red blood cells,
of sperm and of myriads of microscopic “animalcules”, present in ponds.
More than a century passes before biologists start to understand the role of cells in living
beings.
At the beginning scientists studied only plants cells, animal cells were studied around 1830,
when a German zoologist, Theodor Schwann, noticed that in the cartilage there are cells very
similar to ones in plants.
In 1839 Schwann, after studying these cells for a long time, put forward (3) the theory that
the cells are the constituent elementary particles of plants and animals.
During 1800’s, a German botanist, Mattias Schleiden, improved his theory saying :” It is easy
to understand that the life processes of individual cells are certainly the first basis of life,
absolutely essential and fundamental.
After few years, along with the improvements of observational tools, some biologists notice
that living cells can increase their dimensions and divide themselves into smaller cells, but
always as living cells.
In 1860 an Austrian pathologist, Rudolf Virchow wrote (4): “ Each animal looks like the sum of
vital units. Each vital unit owns all the features of life”. Moreover, he also said that all cells
come from cells!
The three principles of modern CELL THEORY arise directly from Virchow’s statements:
a) Each living organism is composed of one or more cells.
b) The cells are the functional unit of the living organism.
c) All cells come from pre-existing cells.
(1) Ha impiegato
(2) Scoprì
(3) Formulò
(4) Scrisse, ha scritto
3
Storia della scoperta delle cellule fino al modello odierno
https://it.wikipedia.org/wiki/Teoria_cellulare
1.
www.luzzago.it/index.php/download_file/view/2778/1028/
L’uomo ha impiegato molto tempo a comprendere che l’unità fondamentale di ogni essere vivente
è la cellula. Nel 1665 lo scienziato e inventore inglese Robert Hooke guardando con un
microscopio rudimentale un sottile pezzo di sughero scoprì che era formato da tante piccolissime
scatole, simili alle stanzette a cella dei monaci nei monasteri (da qui il termine “cellula”). Con gli
strumenti ottici che aveva a disposizione egli, però, non era in grado di spiegare che cosa fossero
queste cellule e in che modo fossero correlate alla vita dell’intera pianta. Un grosso contributo allo
studio delle cellule venne nel 1673 dall’inventore olandese Anton van Leeuwenhoek il quale riferì
alla Royal Society di Londra le sue osservazioni sui globuli rossi, sullo sperma e su miriadi di
microscopici “animaluncoli” presenti nell’acqua degli stagni. E’ passato poi più di un secolo prima
che i biologi cominciassero a capire il ruolo delle cellule negli esseri viventi. All’inizio oggetto di
studio erano le cellule vegetali, le cellule animali furono studiate solo intorno al 1830 circa, quando
lo zoologo tedesco Theodor Schwann osservò che la cartilagine conteneva cellule che ricordavano
esattamente quelle delle piante. Nel 1839 Schwann dopo aver studiato tanto le cellule, era
sufficientemente convinto della sua teoria, secondo la quale le cellule erano le particelle elementari
costitutive di piante e animali. Alla metà dell’Ottocento, il botanico tedesco Mattias Schleiden
perfezionò la teoria dicendo: “E’ facile intuire che i processi vitali delle singole cellule sono
certamente la base prima, assolutamente indispensabile e fondamentale della vita”.
Nel giro di alcuni anni, grazie anche al perfezionamento degli strumenti di osservazione, alcuni
biologi osservavano che le cellule viventi potevano crescere di dimensioni e dividersi in cellule
più piccole, ma pur sempre vive. Nel 1860 il patologo austriaco Rudolf Virchow scrisse: “Ogni
animale appare come la somma di unità vitali, ciascuna delle quali reca in sé tutte le caratteristiche
della vita”. Inoltre disse che tutte le cellule derivano da cellule!
I tre principi della moderna TEORIA CELLULARE discendono direttamente dalle affermazioni
di Virchow:
1. Ogni organismo vivente è costituito da una o più cellule.
2. Le cellule sono le unità funzionali degli organismi viventi
3. Tutte le cellule provengono da cellule preesistenti.
4
Livelli di organizzazione della materia sulla Terra
La vita ha una base chimica ma le sue specifiche qualità si esprimono solo a partire dal livello
cellulare. Le interazioni tra i costituenti di ciascun livello e dei livelli inferiori consentono lo sviluppo
dei livelli superiori
Biosfera
Ecosistema
Comunità
Popolazione
Parte della Terra abitata da organismi
viventi che comprende sia componenti
viventi che non viventi
Insieme di una o più comunità e
dell’ambiente fisico in cui vive
Due o più popolazioni di specie
diverse che vivono e interagiscono
nella medesima area
Gruppo di organismi della stessa
specie che vivono nella stessa area
Specie
Organismi molto simili
potenzialmente interfecondi
Organismo
multicellulare
Singolo essere vivente formato da
molte cellule
Sistema di
organi
(apparati)
Organo
Insieme di due o più organi che
cooperano per svolgere una specifica
funzione del corpo
Struttura di un organismo, formata in
genere da più tessuti, organizzati in un
unità funzionale
Gruppo di cellule (molto simili) che
svolgono una funzione specifica
La più piccola unità vivente
Tessuto
Cellula
Organulo
Molecola
Struttura contenuta in una cellule
adibita ad una funzione specifica
Combinazione di atomi
sist. nervoso
app. circolatorio
cervello
epitelio
neurone
mitocondrio
acqua
Atomo
Particella
subatomica
La più piccola parte di un elemento
che ne conservi le proprietà chimiche
e fisiche
Particella costituente dell’atomo
cuore
cloroplasto
zucchero
DNA
atomo
5
Caratteristiche dei viventi
L'osservazione e la ricerca biologica hanno individuato alcune caratteristiche fondamentali:
• L'unità elementare, di base, della vita è la cellula; vi sono poi livelli di organizzazione di
complessità crescente a partire da quello cellulare. La struttura e le funzioni dei viventi sono
strettamente correlate.
• Gli esseri viventi crescono e si sviluppano. La crescita consiste in un aumento della sostanza
vivente; essa è dovuta alla moltiplicazione del numero delle cellule e al loro sviluppo, cioè la
formazione di strutture specializzate grazie alle quali viene raggiunta l'organizzazione tipica
dell’organismo.
• Gli organismi hanno la capacità di riprodursi, generando individui simili a sé.
• Gli organismi prelevano dall'ambiente sostanze ed energia che utilizzano in vario modo. Essi
inoltre hanno capacità di mantenere un ambiente interno costante anche al variare dalle condizioni
ambientali esterne.
• Gli organismi percepiscono gli stimoli e le variazioni ambientali (sensibilità) e sono capaci di
dare a essi risposta.
• Organismi anche molto semplici sono capaci di compiere movimenti autonomi.
• Le varietà di forme di vita presenti oggi sul nostro Pianeta si sono evolute da organismi più
semplici e questi a loro volta da cellule organizzatesi in tempi remoti.
Ogni essere vivente quindi, compie un ciclo grazie alle funzioni vitali
ESSERI VIVENTI
Compiono
un ciclo
vitale
NASCONO
Grazie alle
funzioni vitali
ciclo
MUOIONO
CRESCONO
Movimento
Respirazione
Utilizzano ossigeno per
ricavare energia dagli
zuccheri
Nutrizione
Utilizzano sostanze per
crescere, svolgere le
funzioni vitali e produrre
energia
Riproduzione
Producono organismi
simili a se stessi
Reazione
agli stimoli
Producono risposte ai
cambiamenti
dell’ambiente
6
La cellula
La cellula è un essere vivente o una sua parte, quindi svolge tutte le funzioni dei viventi.
Le dimensioni della maggior parte delle cellule variano da uno ad alcune decine di micrometri (millesima
parte di un millimetro), il che le rende solitamente non identificabili ad occhio nudo. Un globulo rosso ad
esempio ha un dimetro di otto micrometri, questo significa che in un millimetro quadrato ne entrerebbero
quasi sedici. Fanno eccezione le uova, infatti esse sono le cellule più grandi, quelle di struzzo raggiungono
le dimensioni di una palla da baseball.
La cellula è delimitata dalla membrana cellulare che la protegge e media i suoi scambi con
l’ambiente esterno.
Al suo interno, immerse in una matrice gelatinosa, il citoplasma, si trovano delle strutture che
svolgono tutte le funzioni vitali:
a. nucleo: contiene le informazioni per il funzionamento della cellula.
b. mitocondri: producono energia.
a. ribosomi: producono le proteine necessarie a costruire, far funzionare e far comunicare la
cellula.
b. reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi: modificano le proteine prodotte dai ribosomi,
producono altre sostanze e le trasportano dove necessario.
c. lisosomi: degradano la sostanze inutili interne alla cellula.
d. centrioli: guidano la divisione cellulare.
NUCLEO
RETICOLO ENDOPLASMATICO
LISOSOMI
CENTRIOLI
CITOPLASMA
APPARATO DI GOLGI
MEMBRANA CELLULARE
MITOCONDRIO
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La membrana plasmatica
Si può immaginare la membrana plasmatica o cellulare di una cellula come un guardiano che
permette il passaggio solo di sostanze specifiche e di messaggi dall’ambiente esterno a quello
interno della cellula. Svolge diverse funzioni:
isola il citoplasma dall’ambiente esterno,
regola lo scambio di materiali tra il citoplasma e l’ambiente esterno,
permette la comunicazione tra le cellule,
identifica la cellula come appartenente ad una determinata specie
Si tratta di compiti formidabili per strutture molto sottili, mettendone 10.000 in pila uno sopra
l’altra non raggiungerebbero lo spessore di un foglio di carta. La chiave del funzionamento della
membrana si trova nella sua struttura. Le membrane non sono dei semplici “fogli” omogenei ma
delle strutture complesse costituite da parti differenti che svolgono funzioni molto diverse.
Tutte le membrane di una cellula hanno una struttura simile, sia quella plasmatica sia quelle che
delimitano il nucleo e gli organuli. Per spiegare la struttura delle membrane si può usare il modello
a mosaico fluido, elaborato dai biologi Singer e Nicolson nel 1972, secondo il quale la membrana
è costituita da un “mare” di sostanze chiamate fosfolipidi (il fluido) nel quale galleggiano le
proteine (mosaico). In un fosfolipide si distinguono due parti: una testa che può legarsi con le
molecole di acqua e una coda che invece non si lega con le molecole di acqua.
Le cellule viventi sono sempre circondate di acqua, lo stagno dove vive un’ameba o il fluido che
c’è tra le cellule di un organismo animale. Anche il citoplasma è in massima parte composto di
acqua per cui si può dire che la membrana separa il citoplasma acquoso da un ambiente esterno
acquoso. Per questo motivo i fosfolipidi si sistemano spontaneamente in un doppio strato in cui le
teste sono rivolte verso gli ambiente acquosi e le code verso l’interno.
I fosfolipidi così sistemati sono responsabili della prima funzione della membrana, l’isolamento
del citoplasma dall’ambiente esterno. La membrana contiene anche altre sostanze come il
colesterolo e le proteine che svolgono numerose funzioni che permettono alla cellula di
comunicare e interagire con l’ambiente esterno. Ci sono proteine di trasporto, proteine che
ricevono degli stimoli e proteine di riconoscimento che funzionano da “carta di identità” della
cellula.
GUARDA IL VIDEO: YOU TUBE → Biologia Cellulare - La Membrana (MondadoriLe Scienze, 1991).avi
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Citoplasma
Il citoplasma è una massa gelatinosa non omogenea ed occupa più del 50% del volume cellulare.
In esso sono disciolti zuccheri, proteine, sali minerali ed altre sostanze.
Al suo interno vi sono alcuni organuli che collaborano alla vita della cellula ognuno dei quali svolge una
particolare funzione.
All’interno del citoplasma avvengono la maggior parte delle attività cellulari e viene prodotta l’energia
necessaria per la vita della cellula.
Tra questi organuli vi sono: nucleo, mitocondri, ribosomi, reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi,
lisosomi, vacuoli…
GUARDA IL VIDEO: YOU TUBE → Biologia Cellulare - Il Citoplasma (Mondadori-Le
Scienze, 1991).avi
Centrioli
I centrioli sono dei cilindretti cavi lunghi 0,5 micron e larghi 0,2, si trovano in coppie e si
dispongono generalmente uno perpendicolarmente all’altro.
La loro funzione è quella di guidare la disposizione dei
vari organuli nel corso della riproduzione cellulare.
Questo fenomeno, detto mitosi, richiede una grande
attenzione a fare sì che da una cellula madre si formino
due cellule figlie identiche e per ottenere questo risultato
è necessario che a ciascuna di esse vadano tutti i
componenti necessari a svolgere le funzioni vitali.
9
Nucleo
Il nucleo è l’organulo che regola e guida tutte le funzioni della cellula.
Esso è avvolto da una membrana simile a quella citoplasmatica che però presenta dei grossi pori
che consentono il passaggio di molte molecole.
Il nucleo può essere paragonato ad un libro delle istruzioni, custodito dentro ad una scatolina, da
cui possono uscire delle copie delle varie ricette, destinate alle varie parti della cellula che ne
interpretano il messaggio.
Le istruzioni sono scritte secondo un linguaggio molto particolare, su delle molecole di DNA
(Acido DesossiriboNucleico). Ogni molecola di DNA viene detta cromosoma e può assumere
diverse forme a seconda della fase vitale della cellula.
Quando la cellula sta per rirprodursi, il libro delle istruzioni non deve essere letto per cui ciascuna
molecola di DNA si impacchetta in modo molto preciso e ordinato a formare una specie di
bastoncello. Ogni cromosoma diventa riconoscibile degli altri proprio grazie a questa forma
caratteristica.
Quando invece la cellula deve svolgere le sue funzioni ha bisogno delle istruzioni scritte sulle
molecole di DNA, per cui esse non devono essere impacchettate, ma devono avere delle zone
leggibili. In questa fase le singole molecole non si distinguono tra loro e tutto il DNA sembra un
gomitolo disordinato che si colora in modo spiccato in presenza di particolari sostanze e per questo
viene detto cromatina. Le parti di DNA utili alla cellula vengono trascritte su dei messaggeri, che
escono dal nucleo e vengono tradotte nel citoplasma dai ribosomi.
NUCLEO
CROMATINA
CROMOSOMI
CROMOSOMI NON
IMPACCHETTATI
IMPACCHETTATI
GUARDA IL VIDEO: YOU TUBE → Biologia Cellulare - Il Nucleo Mondadori-Le
Scienze.avi
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Ribosomi
I ribosomi sono piccoli corpuscoli di forma rotondeggiante dal diametro di 120-150 Ǻ (armstrong
la decimillesima parte del micrometro).
Essi producono proteine utilizzando le informazioni
provenienti dal nucleo (RNA messaggero) in un processo
detto di traduzione.
I ribosomi possono trovarsi in due diverse posizioni: liberi nel
citoplasma o adesi al reticolo endoplasmatico.
Ogni ribosoma è formato da due subunità a loro volta formate
da proteine e RNA.
proteina
ribosoma
messaggero
Reticolo endoplasmatico
Il reticolo endoplasmatico è una rete di tubuli e cisterne comunicanti che si sviluppa attorno al
nucleo.
reticolo rugoso
Una parte di questo reticolo è ricoperta da ribosomi, è formata da
cisterne e viene detta rugosa, mentre la parte che non presenta nucleo
granulosità è formata da tubuli e viene detta liscia.
La funzione del reticolo rugoso è quella di produrre proteine
(grazie ai ribosomi) destinate ad essere incorporate nella
membrana di alcuni organuli o a svolgere dei compiti all’esterno
della cellula dopo essere passate dall’apparato di Golgi.
Il reticolo liscio invece produce lipidi, degrada sostanze tossiche e
accumula o rilascia ioni calcio.
ribosomi
Apparato di Golgi
reticolo liscio
L’apparato di Golgi è formato da tre o quattro cisterne appiattite disposte parallelamente e
leggermente concave. Intorno ad esse si osservano delle piccole vescicole, alcune provengono dal
reticolo endoplasmatico e si fondono tra loro a formare le
cisterne esterne, altre si distaccano dalle cisterne interne.
Tra queste alcune si dirigono verso la membrana
cellulare, con la quale si fondono riversando il loro
contenuto all’esterno della cellula in un processo detto
esocitosi. Altre vescicole si accumulano all’interno della
cellula e vengono poi riversate al suo esterno quando essa
riceve il segnale, in un processo detto secrezione. Altre
ancora formano organuli detti lisosomi.
11
Lisosomi
Alcune proteine fabbricate nel reticolo endoplasmatico e inviate all’apparato di Golgi sono enzimi
digestivi capaci di demolire proteine, grassi e altre sostanze. L’apparato di Golgi ha il compito di
accumulare questi enzimi nei lisosomi, vescicole rivestite da una sottile membrana che
intervengono proprio nella demolizione di particelle di varia natura, dalle proteine ai
microrganismi.
I lisosomi hanno il compito quindi di digerire, cioè di decomporre in parti più semplici, le sostanze
che la cellula ingloba e sono incaricati anche di distruggere organuli cellulari difettosi o che
funzionano male, riciclando i materiali utili.
Mitocondri
I mitocondri occupano in media il 22% del volume cellulare. Generalmente hanno una forma
allungata a bastoncino e sono lunghi 1- 4 μm ed hanno un diametro di circa 1,5 µm.
Ciascun mitocondrio è delimitato da una doppia membrana: quella esterna permette il passaggio
di piccole molecole, quella
interna
è
selettivamente
permeabile e ripiegata in
estroflessioni chiamate creste
mitocondriali sulle quali si
trovano gli enzimi respiratori.
Nello spazio interposto tra la
membrana esterna e quella
interna si trova un liquido
chiamato matrice mitocondriale
nel quale avvengono alcune delle
reazioni
chimiche
della
respirazione
cellulare,
il
processo attraverso il quale le
cellule ricavano energia secondo
la seguente reazione:
zucchero + ossigeno = acqua + anidride carbonica + energia
C6H12O6 + O2 = H2O + CO2 + ENERGIA
Il numero dei mitocondri per cellula è variabile e dipende dal tipo di lavoro effettuato dalla cellula.
La funzione principale del mitocondrio è dunque la produzione di energia.
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La cellula vegetale
La cellula vegetale possiede tutti gli organuli di cui abbiamo parlato, ma oltre ad essi ha altre
specializzazioni esse sono : la parete cellulare, i vacuoli e i cloroplasti.
CLOROPLASTI
VACUOLO
PARETE
Parete
La parete cellulare è un contenitore rigido che forma una barriera attorno alla membrana. Essa
consente però alla cellula di comunicare con l’ambiente esterno grazie a delle piccole fessure.
Ha funzione di regolazione della pressione osmotica interna alla cellula, cioè della diffusione
dell’acqua dall’ambiente meno concentrato verso quello più concentrato.
Vacuolo
Il vacuolo è un grosso compartimento delimitato da una membrana che contiene riserve di acqua
e altre sostanze in essa disciolte (sali minerali, sostanze di scarto dannose o inutili, proteine o
sostanze di riserva come zuccheri e lipidi)
Cloroplasti
I cloroplasti sono organuli presenti sia nelle cellule vegetali che in alcuni tipi di alghe. Essi sono
responsabili della fotosintesi clorofilliana, cioè dell’utilizzo dell’energia luminosa per produrre
zuccheri (che fungono da nutrienti) ed ossigeno grazie alla clorofilla. La reazione è la seguente:
luce + acqua + anidride carbonica = zuccheri + ossigeno
ENERGIA + H2O + CO2 = C6H12O6 + O2
Cellule vegetali dalla classica
forma squadrata che
contengono molti cloroplasti
Cloroplasti isolati da cellule
vegetali
Complessa struttura
interna dei cloroplasti
13
SCHEDE DI LABORATORIO
Introduzione
Il microscopio
Come abbiamo detto le cellule sono piccolissime, per poterle osservare è dunque necessario
utilizzare uno strumento di ingrandimento: il microscopio. Esistono diversi tipi di microscopio con
diverse capacità di ingrandimento e diversi tipi di funzionamento.
I microscopi ottici, utilizzano la luce visibile, sono i più semplici e di più comune utilizzo. Sono
costituiti da un sistema di lenti adatto a focalizzare la luce nell'occhio o in un altro dispositivo
rivelatore. L'ingrandimento tipico dei microscopi ottici migliora la visione a occhio nudo di 500 volte
(500x), ma può raggiungere i 1500x, con un limite di risoluzione teorica di circa 0,2 µm.
Un microscopio, può possedere più obiettivi, che
possono essere scelti in base all'ingrandimento
voluto e sono montati su una struttura chiama
revolver.
La luce emessa dalla sorgente attraversa una
sezione sottile di campione montato su un vetrino.
La luce che attraversa il vetrino viene catturata
prima dall’obiettivo poi dall’oculare.
L’immagine arriva all’occhio ingrandita due volte,
dall’obiettivo e dall’oculare, ad esempio se sto
utilizzando un obiettivo 40x e un oculare 20x, la
mia immagine sarà ingrandita ti 40 x 20 = 800
volte.
Per far sì che l’immagine giunga nitida all’occhio
dell’osservatore occorre porre il vetrino alla giusta distanza dall’obiettivo, questa manovra detta messa
a fuoco, è resa possibile dal fatto che esso è collocato su un tavolino portaoggetti che può alzarsi o
abbassarsi grazie alla vite macrometrica (alcuni microscopi hanno anche una vite micrometrica per la
regolazione più fine).
Molto spesso per rendere più evidenti dei campioni si usano dei coloranti selettivi, cioè sostanze che
si legano ad alcuni componenti in modo da evidenziarne alcune strutture.
Altri microscopi usano altri tipi di onde ed hanno un funzionamento diverso, ad esempio i microscopi
elettronici usano fasci di elettroni.
14
Attività n. 1
Osservazione di cellule al microscopio
Preparazione di un vetrino
15
Attività n. 2
Produzione di un modello
Utilizzando alcuni dei materiali messi a disposizione produci un modello della cellula. Se lo ritieni
opportuno puoi anche modificarli.
Spiega le tue scelte.
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Scheda di riepilogo
1. Indica con delle frecce le parti della cellula che riconosci e scrivine la didascalia indicandone
nome e una piccola descrizione ove possibile.
2. Di che tipo di cellula si tratta? Perché?
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17
Scheda di riepilogo
1. Completa la tabella completando le caselle vuote
Principali funzioni
vitali dei viventi
Respirazione
Nutrizione
Riproduzione
Crescita e
interazione con
altre cellule
La cellula respira
grazie ai
La cellula si
procura le
sostanze nutritive
grazie alla
……………………
Le cellule si
riproducono
mediante un
processo detto
……………………….
guidato dai
…………………………..
Le cellule si
accrescono o
rigenerano i loro
organi interni
producendo
proteine e lipidi
grazie ai
……………., al
…………………………..
e all’ ………………….
………………………..
in cui si verifica la
seguente razione:
………………………….
…………………………
che le assorbe
dall’ambiente che
la circonda.
Nelle cellule
………………………. il
nutrimento viene
prodotto dalla
cellula stessa
grazie ai
…………………………..
responsabili della
fotosintesi
clorofilliana
Alcune di queste
sostanze possono
essere anche
espulse e
utilizzate per
comunicare con
altre cellule.
2. Rileggi la scheda iniziale e correggi eventuali errori
3. Scrivi un testo: fai una metafora: se la cellula fosse una città antica, quali sue
componenti potrebbero rappresentare gli organuli che abbiamo studiato?
18
APPROFONDIMENTO
Trasporto
Tra l’interno e l’esterno di ogni cellula c’è un continuo traffico di sostanze di varia grandezza e
natura chimica. Il loro passaggio è regolato dalla membrana plasmatica (o cellulare).
Se una sostanza riesce ad attraversare la membrana liberamente si parla di trasporto passivo.
Quando invece una sostanza riesce ad attraversare il doppio strato lipidico solo impiegando una
certa quota di energia di parla di trasporto attivo.
Se tra interno ed esterno della cellula esiste una differenza di concentrazione (un gradiente), le
molecole presenti in maggior concentrazione in una regione tenderanno a spostarsi spontaneamente
(trasporto passivo) nella regione di minore concentrazione.
Questi fenomeni di trasporto passivo (cioè senza consumo di energia da parte della cellula) sono
noti anche come diffusione semplice, diffusione facilitata e osmosi.
Nella diffusione semplice molecole molto piccole e sostanza idrofobe (che non amano gli
ambenti acquosi) attraversano la membrana liberamente, senza l’ausilio di canali proteici.
La velocità di questo processo dipende dal gradiente di concentrazione: maggiore è il
gradiente, cioè maggiore è la differenza di concentrazione tra interno ed esterno, più veloce
è il processo.
Nella diffusione facilitata le molecole attraversano la membrana aiutate da proteine di
trasposto, che ne facilitano e velocizzano il passaggio.
L’osmosi è la diffusione di molecole di acqua da una regione in cui la concentrazione di una
sostanza è minore ad una in cui è maggiore. In questo caso quindi non è la sostanza disciolta
nell’acqua a diffondere (perché magari non riesce ad attraversare la membrana), ma l‘acqua
che si sposta nel verso inverso del gradiente di concentrazione.
Nel trasporto attivo le sostanze si muovono contro il loro gradiente (dall’ambiente di minore
concentrazione verso quello di maggiore concentrazione) grazie a proteine di membrana che
funzionano come delle porte selettive che per consentire il passaggio consumano energia.
Infine quando ad attraversare la membrana sono materiali di grandi dimensioni, si verificano dei
processi detti endocitosi (se il materiale entra) ed esocitosi (se il materiale esce), in cui la
membrana forma delle vescicole che li inglobano.
19
APPROFONDIMENTO
Il linguaggio del nucleo
Le istruzioni contenute nel nucleo diventano funzioni della cellula grazie ad una complessa e
incredibilmente affascinante sequenza di fenomeni.
L’informazione è scritta sulla molecola di DNA grazie alla sequenza di quattro molecole più
piccole, dette basi azotate, che ne costituiscono i mattoncini, esse sono: adenina (A), guanina (G),
citosina (C) e timina (T). Questi mattoncini formano due filamenti che si avvolgono uno intorno
all’altro formando una specie di scala a pioli attorcigliata su se stessa, detta doppia elica.
La prima tappa di questo percorso è la trascrizione.
Quando una parte di DNA viene letta le due eliche si distaccano e una di esse
viene trascritta su una molecola molto simile che viene detta RNA messaggero (Acido
RiboNucleico). Questa molecola è più piccola del DNA per questo può passare attraverso i pori
della membrana nucleare ed essere così utilizzata nel citoplasma.
La seconda tappa è quella della traduzione.
La traduzione si verifica sui ribosomi, essi associano ad ogni tripletta di basi azotate un mattoncino
delle proteine, detto aminoacido, quindi da una molecola di RNA, si ottiene una catena di
aminoacidi cioè una proteina.
La proteina prodotta, talvolta dopo ulteriori specializzazioni, viene resa capace di svolgere una
funzione
DNA
nucleo
RNA
citoplasma
ribosoma
La sequenza quindi è:
DNA trascrizione
proteina
RNA
traduzione
PROTEINE
(maturazione)
FUNZIONE
20
APPROFONDIMENTO
Specializzazione delle cellule nei tessuti
Ogni organismo vivente può essere costituito da una sola cellula, e quindi essere unicellulare,
oppure da milioni di cellule come quelle del nostro corpo. Le cellule specializzate a compiere un
dato lavoro sono raggruppate fra loro e formano un tessuto. Nel corpo umano esistono quattro tipi
di tessuti:
il tessuto epiteliale , composto di cellule che coprono e proteggono il corpo e gli organi;
il tessuto muscolare , costituito da cellule che hanno la proprietà di contrarsi, cioè di allungarsi e
accorciarsi quando sono stimolate;
il tessuto nervoso , che è composto da cellule allungate e ramificate che trasportano i “messaggi”
in tutto il corpo : il cervello, i nervi e il midollo spinale sono tutti costituiti da tessuto nervoso;
il tessuto connettivo che lega vari organi e può essere fluido (come sangue), sostenuto (come nelle
cartilagini) e rigido (come nelle ossa).
Più tessuti assieme costituiscono un organo come per esempio il cervello, il cuore, lo stomaco,
l’intestino, il fegato. Ogni organo è diverso da un altro non solo per struttura, forma e aspetto, ma
soprattutto per le funzioni che svolge.
Tessuto epiteliale
Il tessuto epiteliale viene di solito classificato in base alla forma e alla disposizione delle cellule.
Squamoso: presenta cellule appiattite e strettamente connesse tra loro; si trova di solito
nell'epidermide, negli alveoli polmonari e nelle pareti dei vasi sanguigni
Cubico: si trova nelle ghiandole e nei tubuli renali
Cilindrico: si trova nelle pareti di rivestimento del tubo digerente ed anche nella trachea e nei
bronchi
In base al numero di strati viene definito:
semplice o monostratificato
composto o pluristratificato
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In base alla funzione principale il tessuto epiteliale può essere:
mucoso: quando secerne muco che ha la funzione di idratare e lubrificare;
ghiandolare: quando secerne sudore, saliva, latte, succhi gastrici (nelle ghiandole esocrine)
oppure ormoni (nelle ghiandole endocrine).
Ricapitolando, il tessuto epiteliale:
ricopre le strutture esterne del corpo (epidermide, derma);
ricopre le strutture interne del corpo (mucose);
costituisce le ghiandole che secernono sostanze all'esterno (ghiandole esocrine) o
all'interno (ghiandole endocrine) del corpo;
costituisce delle strutture particolari (cristallino dell'occhio, peli, capelli, unghie)
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Tessuto muscolare
Il tessuto muscolare è costituito da cellule che possiedono la capacità di contrarsi (grazie alla
elevata percentuale delle proteine actina e miosina contenuta in queste cellule) e quindi
permettono al corpo e ad alcune strutture interne di muoversi. Si divide in:
striato o scheletrico: deputato al movimento volontario dello scheletro mediante
connessioni dette tendini (tessuto connettivo che lega il muscolo all'osso)
o legamenti (tessuto connettivo che lega due ossa tra loro); si chiama striato in quanto
presenta delle strutture filamentose (miofibrille) addossate e compatte, formanti un
disegno regolare; cardiaco: presenta anch'esso delle striature e costituisce la parete del
cuore; è responsabile di movimento involontario;
liscio: circonda le pareti degli organi interni (apparato digerente, utero, vescica, vasi
sanguigni); è responsabile di movimento involontario.
cardiaco: presenta anch'esso delle striature e costituisce la parete del cuore; è responsabile
di movimento involontario;
liscio: circonda le pareti degli organi interni (apparato digerente, utero, vescica, vasi
sanguigni); è responsabile di movimento involontario.
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Tessuto nervoso
Il tessuto nervoso è composto dai neuroni, cellule altamente specializzate nelle quali è possibile distinguere tre parti:
corpo cellulare o soma: contiene il nucleo e gli organuli;
dendriti: estensioni citoplasmatiche di solito corte e numerose;
assone: estensione citoplasmatica lunga. Insiemi di assoni, riuniti in fasci, costituiscono i nervi.
I neuroni, per la loro tipologia, si distinguono in:
neuroni sensoriali
interneuroni
neuroni di associazione
neuroni motori
Il tessuto nervoso costituisce nel suo insieme il sistema nervoso centrale (SNC) ed il sistema nervoso
periferico (SNP). Il sistema nervoso centrale a sua volta è composto dall'encefalo e dal midollo spinale, mentre il
sistema nervoso periferico si suddivide in sistema sensoriale e sistema motorio.
Il sistema sensoriale utilizza i neuroni sensoriali e mette in relazione l'organismo con l'ambiente, mentre il sistema
motorio utilizza i neuroni motori e trasmette gli impulsi nervosi del cervello ai muscoli ed alle ghiandole: esso si
suddivide in sistema somatico e sistema autonomo. Il sistema autonomo, a sua volta, si suddivide ulteriormente
in sistema simpatico e sistema parasimpatico.
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Tessuto connettivo
Nel tessuto connettivo le cellule non sono di solito a contatto tra loro ma sono tenute separate da un
materiale extracellulare detto sostanza fondamentale o matrice e da fibrille o fibre.
Le fibrille possono essere:
di connessione e sostegno, come il collagene, presente nella pelle, nei tendini, nei legamenti, nelle
cartilagini e nelle ossa;
elastiche, presenti nelle pareti dei grossi vasi sanguigni;
reticolari, presenti nel fegato.
A seconda della tipologia del materiale extracellulare e del contenuto in fibrille il tessuto connettivo
può essere classificato in:
tessuto connettivo propriamente detto, che a sua volta si divide in lasso (poco
compatto), denso (molto compatto, grazie all'elevato contenuto in collagene) e fibroso (che è ricco
di fibrille e costituisce tendini e legamenti);
tessuto connettivo specializzato, che a sua volta si distingue in cartilagineo, osseo, adiposo e
liquido.
Vediamoli più in dettaglio:
cartilagineo: molto elastico, è costituito da cellule (dette condrociti) secernenti una sostanza
fondamentale ricca di collagene
osseo: molto duro, è costituito da cellule (dette osteociti), immerse in una sostanza detta osseina, una
proteina impregnata da minerali di calcio (carbonati e fosfati) e da collagene. Sono inoltre presenti
cellule specializzate: osteoblasti (deputate alla costruzione dell'osso, molto attive nello sviluppo
embrionale) e osteoclasti (che invece erodono l'osso).
adiposo: costituito da cellule dette adipociti, cioè cellule specializzate nell’accumulo di materiale
lipidico di riserva. Tali cellule possono essere localizzate ovunque nel connettivo interstiziale, isolate
o a gruppi. Nel sottocutaneo sono strettamente connesse fra loro senza interposizione di sostanza
fondamentale. Il tessuto adiposo svolge funzione protettiva, di deposito di materiale nutritizio, di
termoregolazione ecc.
liquido: (sangue e linfa): nel sangue le cellule più diffuse sono i globuli rossi (eritrociti) e i globuli
bianchi (linfociti). Sono poi presenti le piastrine (trombociti). Nella linfa sono presenti solo i linfociti.
La sostanza fondamentale è detta plasma, un liquido giallastro ricco di proteine, costituente circa il
55% del sangue.
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APPROFONDIMENTO
Forme di vita piu’ semplici
Il tipo di cellula che abbiamo studiato viene detta eucariote (Eukaryota; dal greco εὖ eu «vero» e
káryon «nucleo»), essa da sola o in associazione ad altre cellule è l’unità fondamentale di moltissimi
esseri viventi, ma non è il solo tipo di cellula esistente.
Esistono altri due forme di vivente: le cellule procariote e i virus.
Organismi
procariori
Organismi eucariori
pluricellulari e unicelluleri
Cellule procariote
Le cellule procariote (pro « prima » e kàryon « nucleo ») sono organismi unicellulari che non hanno
nucleo delimitato dalla membrana, il loro DNA infatti è generalmente disperso nel citoplasma in una
regione interna della cellula chiamata nucleoide. Si osservano poi altre differenze rispetto alla cellula
eucariote:
i ribosomi hanno forma diversa e sono più piccoli,
gli organuli delimitati da membrane mancano (nucleo, reticolo, mitocondri, plastidi, Golgi, ecc.),
in alcuni casi si hanno flagelli o pili,
la membrana è protetta da una parete cellulare molto diversa da quella della cellula vegetale
eucariota,
quasi sempre la parete è avvolta da un rivestimento detto capsula o glicocalice, che dà protezione
alla cellula e contribuisce a farla aderire al substrato.
Disegno schematico di cellula procariotica:
1 Pili,
2 Plasmidi,
3 Ribosomi,
4 Citoplasma,
5 Membrana citoplasmatica,
6 Parete cellulare,
7 Capsula (o glicocalice) batterica,
8 Nucleoide,
9 Flagello
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Le dimensioni dei procarioti possono variare dai circa 0.1-0,2 µm (di micoplasmi e di alcuni archea)
ai 30 µm (di alcune spirochete) sino agli oltre 700 µm (di Thiotrichaceae e di alcuni clostridi del
genere Epulopiscium) quindi visibili ad occhio nudo. Gli organismi procarioti sono unicellulari, ma
si possono aggregare per formare colonie (come accade nelle cianoficee o alghe azzurre e negli
archea).
I procarioti sono i viventi più numerosi e diffusi sulla Terra. Qualche esempio: il numero di individui
di Escherichia coli presenti nell’intestino nell’arco della vita di un essere umano supera di molto il
numero di tutti gli esseri umani mai vissuti sulla terra; in un cucchiaio di terreno si possono trovare
10.000 miliardi di batteri.
I procarioti vivono in ogni tipo di ambiente, anche nei più estremi, dove nessun’altra forma di vita
riesce a farlo: all’interno delle rocce, nel terreno al di sotto del permafrost, nel fondo degli oceani, nei
deserti, in sorgenti di acque bollenti, a temperature superiori ai 200°, nei ghiacci, in soluzioni molto
acide, come simbionti o parassiti all’interno di altri organismi. I batteri hanno la capacità di formare
cellule quiescenti di resistenza, con pareti ispessite (endospore), che in certi casi possono resistere
alla bollitura e restare dormienti per millenni.
Ogni giorno nuovi batteri vengono scoperti negli ambienti più impensabili ed è probabile che siano
ancora più diffusi di quanto attualmente si creda, il numero totale di specie di procarioti è stimato
tra 2.500 e 10.000, ma è probabile che sia molto superiore.
Le principali caratteristiche usate per classificare i procarioti sono:
la forma: sferica (cocchi), a bastoncino (bacilli), ondulata o ricurva (spirilli e vibrioni)
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l’assenza o il tipo di parete: micoplasmi e alcuni archeobatteri sono privi di parete, batteri
Gram-positivi e Gram-negativi, (questi ultimi comprendenti i patogeni più virulenti).
il tipo di metabolismo:
batteri aerobi (hanno bisogno di ossigeno per vivere);
batteri anaerobi (non hanno bisogno della presenza di ossigeno);
batteri eterotrofi: devono nutrirsi di sostanze complesse come fanno gli animali,
(decompositori, parassiti, e simbionti);
batteri autotrofi fotosintetici: utilizzano energia luminosa per produrre carboidrati;
batteri azotofissatori: fissano l’azoto atmosferico, abbondante e indisponibile per tutti i
viventi;
cianobatteri vivono in genere in colonie; sono organismi pionieri e possono costituire
simbiosi con funghi (licheni) e con altri viventi; la maggior parte di loro è in grado di fissare
l’azoto atmosferico;
archibatteri comprendono molti organismi componenti del plancton degli oceani e specie in
grado di vivere negli ambienti più estremi.
Filogenesi. Si ritiene che i primi viventi apparsi sulla terra, circa 3.5 miliardi di anni fa o anche più,
fossero del tipo degli attuali procarioti. I primi organismi fotosintetici, simili agli attuali cianobatteri,
sarebbero apparsi in seguito, probabilmente tra 2 e 3.4 miliardi di anni fa. A loro si deve la massiccia
produzione di ossigeno che portò alla trasformazione della primitiva atmosfera riducente in atmosfera
ossidante in grado di ospitare la vita degli organismi eucarioti aerobi, che necessitano di ossigeno per
la respirazione. Conseguenza dell’abbondanza di O2 nell’atmosfera fu anche la formazione dello
strato di ozono che schermando le letali radiazioni UV consentì l’emersione dei viventi dall’acqua.
VIRUS
Sono particelle di materia vivente che agiscono da parassiti di cellule o organismi. Non si possono
definire viventi, dal momento che sono privi di organizzazione cellulare, non sono in grado di
riprodursi al di fuori dell’organismo ospite, non aumentano di volume, non rispondono a stimoli
esterni, non si muovono, non hanno un proprio metabolismo.
Sono costituiti da acidi nucleici (DNA o RNA) in catene singole o doppie, avvolti da uno o
più involucri proteici (capsidi).
I virus comprendono gli agenti di numerose malattie di piante, animali e uomo e sono da molti
considerati l'anello di congiunzione tra un composto chimico e un essere vivente.
capsidi
acidi nucleici
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