C ll l
Cellule
Francesco Bemporad
Francesco Bemporad
Scoperta delle cellule
• Invenzione di rudimentali
microscopi
i
i
• Robert Hooke (1665): osserva il
sughero. Describe piccole
g
p
cellette (da cui il termine
“cellula”).
)
Scoperta
p
di cellule vive
• Anton van Leeuwenhoek (1675):
1. per primo osserva cellule vive;
Teoria cellulare
• Alcune pietre miliari
– Matthias Schleiden (1838): Conclude che tutte le piante sono
fatte da cellule
– Theodor Schwann (1839): Conclude (
)
che tutti gli animali sono fatti da cellule
– Rudolph Virchow (1855): Determina
che le cellule si
le cellule si originano solo da solo da
altre cellule
Teoria cellulare
Teoria cellulare
• Elementi cardine della teoria cellulare
1. Tutti gli organismi sono composti da una o piu’ cellule.
cellule
2. Le cellule sono le unita’ morfologiche e f
funzionali
l della
d ll vita.
3. Le cellule si originano
g
SOLO da cellule.
Diversita’ cellulare
• Dimensioni
• Forma
• Organizzazione interna
Dimensioni
cellulari
9
Le cellule piu’ piccole
Diversita’ cellulare ‐ dimensioni
Le cellule piu’ grandi:
Le cellule piu
grandi:
Per lunghezza:
Per volume
O i h
Ostrich Egg
Rapporto Area di superficie/volume
SA = 6lw
V = lwh
SA = 6 mm2
V = 1 mm3
SA/V = 6:1
SA = 24 mm2
V = 8 mm3
SA/V = 3:1
V increases faster than SA
SA = 96 mm2
3
V = 64 mm
V
64
SA/V = 1.5:1
12
Diversita’ cellulare – organizzazione
g
interna
• Nucleo: contiene il DNA e conseguentemente
dirige l’attivita’ biolgica della cellula
• Organello: componente
Organello: componente cellulare che svolge una
specifica attivita’
• Eucarioti: contengono un nucleo
l e organelli
ll che
h
interagiscono con la membrana
• Procarioti: privi di nucleo e organelli che
interagiscono con la membrana
con la membrana
Alcuni concetti
• Fototrofi
fi = ottengono l’energia
l’
i necessaria
i
dalla luce
• Chemiotrofi = ottengono l’energia necessaria
p ;
attraverso l’ossidazione di composti;
• Autotrofi = Sintetizzano le molecole organiche
a partire da composti
a partire
da composti inorganici quali CO2 e e
H2O
• Eterotrofi
Et t fi = Per essi
P
i le sostanze
l
t
organiche
i h
sono nutrienti;
Andamento temporale della
classificazione in domini
Alcuni concetti
• Protisti (organismi con organizzazione piuttosto semplice che
non possono essere classificati come animali, piante o funghi)
1 Protozoi, protisti simili ad animali (Mastigophora, Sarcodina, 1.
P t i
ti ti i ili d i li (M ti
h
S
di
Sporozoa, Ciliata)
2 Alghe, i protisti simili a piante
2.
Alghe i protisti simili a piante (Chlorophyta, rhodophyta, (Chlorophyta rhodophyta
etc.)
3 Protisti simili a funghi (mixomiceti: producono spore e 3.
Protisti simili a funghi (mixomiceti: producono spore e
possono unire le loro cellule formando una cellula unica con molti nucleo detta plurinucleata)
Woese (1990)
Archaea
•
1.
2.
3.
4.
Nell 1977,
9 Carl
C l Woese e George
G
Fox dell'università
d ll' i
i à dell'Illinois
d ll' lli i condussero
d
un'analisi
' li i
filogenetica comparativa, basata sulle sequenze del DNA e dell'RNA della piccola
subunità ribosomiale (subunità 16S), che permise la distinzione dei procarioti in
d
due
di
diversi
i domini:
d i i Eubacteria
E b t i e Archaebacteria,
A h b t i modificati
difi ti poii nell 1990 in
i
Bacteria e Archaea.
Alofili:
Alofili vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M)
Termofili:
Termofili vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)
Psicrofili:
Psicrofili vivono a basse temperature (‐10 gradi)
Acidofili:
Acidofili vivono a valori di p
pH molto bassi.
VIRUS
VIRUS = piccola particella infettiva visibile solo al microscopio elettroonico. Contiene:
• Un tipo
U i di acido
di id nucleico
l i (DNA o RNA);
(DNA RNA)
• Una struttura prteica denominata capside
• Un involucro membranoso denominato
pericapside;
pericapside
VIRUS
VIRUS = parassita endocellulare
obbligato. Al di fuori della cellula
i
in cui si
i i riproduce, un virus viene
i d
i
i
chiamato virione.
VIRUS
CICLO LITICO: CICLO LITICO: Il DNA virale viene espresso dal macchinario del batterio fino alla lisi.
CICLO LISOGENO: Il DNA virale si integra nel DNA del batterio, dando un profago che
viene riprodotto indefinitamente.
VIRUS
VIRUS DELL’AIDS (HIV): VIRUS DELL’AIDS (HIV): due molecole a singolo filamento di DNA identiche + trascrittasi inversa;
Infetta le cellule del sistema immunitario, risultando in immunodeficienza (che porta a morte).
MEMBRANA PLASMATICA
MEMBRANA PLASMATICA
•
•
•
•
Isolamento
Regolazione degli scambi con l
con l’ambiente
ambiente
Trasduzione del segnale
Supporto strutturale
23
Il 42% della massa della membrana e’ fatta da
fosfolipidi;
Altri costituenti sono di natura proteica, piu’ il
gli sfingolipidi
g p
colesterolo e g
I fosfolipidi sono molecole anfipatiche fatte da
una testa idrofilica e due code idrofobiche.
24
25
CARATTERISTICHE DELLA MEMBRANA
- Fluida
Fl id (catene
( t
l t li insature);
laterali
i
t )
- Selettivamente permeablie (permette il
passaggio di piccole molecole
idrofobiche)
- Il colesterolo serve a mantenere la
fluidita’ della membrana
26
CARBOIDRATI DELLA MEMBRANA
CARBOIDRATI DELLA MEMBRANA
CARBOIDRATI DELLA • 3‐5 % della membrana
• Proteoglicani, glicoproteine
Proteoglicani, glicoproteine e glicolipidi
e glicolipidi
• Glicocalice
– Lubrication and protection
– Anchoring and locomotion
g
– Specificity in binding
– Recognition
27
MODELLO A MOSAICO FLUIDO (Singer,
Nicholson))
Le proteine galleggiano come iceberg in un
mare di fosfolipidi, che possono diffondere e
roteare
t
Le proteine possono essere integrali
(canali
canali,, trasportatori)
trasportatori
p
)op
periferiche (recettori
recettori,,
enzimi,, proteine di identita
enzimi
identita’’ cellulare
cellulare).
).
28
29
Membrane proteins
Membrane proteins
•
•
•
•
•
•
Anchoring proteins
Recognition proteins
Recognition proteins
Enzymes
Receptor proteins
Carrier proteins
Carrier proteins
Channels
30
Giunzioni intercellulari
Tight junctions
g j
– membranes of adjacent cells j
bound together by occludins and claudins
forming an impermeable junction
forming an impermeable junction.
• Desmosomes are protein “spot welds” in skin and cardiac muscle:
– plaques, linker protein filaments, and
filaments across inside of cell
filaments across inside of cell
thicker 31
Intercellular junctions
• Gap junctions are tubular channels (conne ons) that connect the c toplasm of
(connexons) that connect the cytoplasm of one cell with that of another.
– Ions, simple sugars and other small molecules
• Cellular Adhesion Molecules
Cellular Adhesion Molecules help cells form help cells form
• temporary attachments to other cells. CAMs
32
33
34
Membrane proteins
•
•
•
•
Anchoring proteins
Recognition proteins
Recognition proteins
Enzymes
Receptor proteins – Ligands bind
g
• Carrier proteins
– allows establishment of electrochemical gradient
allows establishment of electrochemical gradient
• Channels
• Rafts –lipid rafts – tails saturated; more cholesterol
35
Membrane Physiology
Membrane Physiology
• Cell membrane function:
Cell membrane function:
– Cellular communication
– Establish an electrochemical gradient
– Are selectively permeable
•
•
•
•
Lipids
Size
Electrical charge
Presence of channels and transporters
p
36
MOVIMENTO DI MATERIALE
MOVIMENTO DI MATERIALE
• Processi passivi:
– Dipendono
p
dalla concentrazione
– Non richiede energia
– Muove sostanze secondo gradiente
secondo gradiente di di
concentrazione;
37
DIFFUSIONE
• Dipende da:
– Temperatura;
p
;
– Gradiente;
– Distanza ;
– Dimensione molecolare;
– Forze elettriche;
• Raggiunge un equilibrio
un equilibrio o
• Lo stato
stato stazionario
38
39
40
DUE TIPOLOGIE
• DIFFUSIONE SEMPLICE
• DIFFUSIONE FACILITATA
DIFFUSIONE FACILITATA
Limitata dal numero di canali a disposizione
41
OSMOSI
• Movimento d’acqua attraverso una membrana
p
semipermeabile
• Si muove secondo gradiente di concentrazione
d acqua
d’acqua
• Genera una pressione (osmotica)
42
43
TONICITA
TONICITA’
• Cconcentrazione di una soluzione rispetto ad un’altra
• ISOTONICO = stessa pressione osmotica
– 0.9 % NaCl
0 9 % N Cl or 5% glucosio.
5% l
i
• IPOTONICO = inferiore pressione osmotica
• IPERTONICO = maggiore pressione osmotica
44
45
46
Cellula in
soluzione
ipertonica
crenazione
47
Cellula in
soluzione
i t i
ipotonica
48
OSMOSI
• Elimina le differenze di concentrazione piu’ velocemente della diffusione del soluto
• Aquaporine – canali per l’acqua
49
DIFFUSIONE FACILITATA
DIFFUSIONE FACILITATA
•
•
•
•
Usa trasportatori di membrana
Secondo gradiente
Secondo gradiente
Specifica
Limiti di saturazione
50
51
FILTRAZIONE
Tipo
po d
di d
diffusione
us o e in cu
cui il
movimento d’acqua e soluto
avviene attraverso una
membrana g
grazie alla g
gravita’ o
alla pressione idrostatica
52
53
54
TRASPORTO ATTIVO
TRASPORTO ATTIVO
• Dipende dall’energia(ATP)
• Genera gradienti
Genera gradienti
• Spesso vengono chiamate pompe
– Na+ / K+ pump ‐ Na/K ATPase
– Others carry Ca
y ++, Mgg++, I‐, Cl‐ and Fe++
55
TRASPORTO ATTIVO
TRASPORTO ATTIVO
• Controtrasporto
– Pompe
p di scambio
• Cotrasporto o simporto
– Muove
M
d
due sostanze
nella
ll stessa direzione
di i
– Una va secondo gradiente
– Usa energia per ripompare indietro una delle due sostanze
56
57
TRASPORTO VESCICOLARE
TRASPORTO VESCICOLARE
Exocytosis – spostare sostanze fuori
Endocytosis
y
– spostare
p
sostanze dentro
Pinocitosi – “cell drinking”
Fagocitosi – “cell eating”
Endocitosi mediata da recettori
59
60
61
Receptor mediated endocytosis
Receptor mediated endocytosis
62
63
Exocytosis
64
IlIl ciclo
ciclo cellulare ee la divisione
la divisione
cellulare
Fasi del ciclo
del ciclo cellulare
• Due fasi principali
– Interfase: normale
f
l attivita’ cellulare
’ ll l
– MITOSI: divisione cellulare
INTERPHASE
Growth
G1
(DNA synthesis)
Growth
G2
DNA
• Informazione genetica contenuta nel DNA
• Cromosoma: piccolo corpo di forma e struttura
costanti costituito nelle cellule eucariotiche
cellule eucariotiche da da
DNA e proteine (prevalentemente istoni)
Figure 12.3
50 µm
CROMOSOMI
• Un eucariote ha circa 1000 volte il DNA di un p
procariote
• L’organizzazione del cromosoma eucariote e’ molto piu’ complessa
molto piu
complessa di quanto
di quanto osservato nei
procarioti
Organizzazione del DNA nei
del DNA nei procarioti
O
Organizzazione
i
i
d l DNA
del DNA negli
li eucarioti
i i
O
Organizzazione
i
i
d l DNA
del DNA negli
li eucarioti
i i
¾ Ogni duecento basi, il DNA si arrotola intorno ad un “rocchetto” fatto da 8 istoni, formando un nucleosoma
CROMOSOMI
• L’informazione genetica e’ contenuta nei
cromosomi.
– La maggior parte delle cellule eucariote ha tra 10 e 50 cromosomi.
e 50 cromosomi.
– Nell’uomo ci sono 46 cromosomi, divisi in 23 coppie.
coppie
•
•
•
Cariotipo
Corredo cromosomico di un individuo;
Si fotografano I cromosomi quando sono condensati (cioe’ durante la divisione) e li si
dispongono in ordine
in ordine
In un individuo sano ci sono 46 cromosomi (sindrome di Down: trisomia 21; 47,XXY or XXY, sindrome di Klinefelter)
Coppia di cromosomi
omologhi
Centromere
Sister
chromatids
5 µm
CROMOSOMI
• IIn una cellula
ll l diploide, I cromosomi
di l id I
i occorrono in i
coppie di cromosomi omologhi
• Comosomi non omologhi
non omologhi
– Appaiono diversi
– Controllano tratti diversi
• Cromosomi sessuali
– Sono rappresentati come X e Y
come X e Y
– Determinano il sesso (XX femmina; XY maschio)
DETERMINAZIONE DEL SESSO
DETERMINAZIONE DEL SESSO
CROMOSOMI
•
•
•
Una cellula diploide ha due copie di ciascun cromosoma
Un uomo ha 46 cromosomi
h 6
i (2n = 46)
(2
6)
Dopo la fase S (sintesi DNA) tutti I cromosomi sono duplicati e consistono in due cromatidi identici
Maternal set of
chromosomes (n = 3)
2n = 6
Paternal set of
chromosomes (n = 3)
Two sister chromatids
off one replicated
li t d
chromosome
Centromere
Two nonsister
chromatids in
a homologous pair
Pair of homologous
chromosomes
(one from each set)
CROMOSOMI
• Cromosomi omologhi:
• Appaiono identici
• Controllano gli stessi tratti (ma potrebbero
codificare per forme differenti dello stesso tratto)
• Hanno origine diversa (uno da ciascun genitore)
CROMOSOMI
•
Prima della mitosi, I cromosomi sono replicati e poi condensano
•
Ciascun cromosoma duplicato ha due cromatidi
ha due cromatidi che si separano durante la mitosi.
la mitosi
0.5 µm
A eukaryotic cell has multiple
chromosomes,
h
one off which
hi h iis
represented here. Before
duplication, each chromosome
has a single DNA molecule.
Once duplicated, a chromosome
consists of two sister chromatids
connected at the centromere. Each
chromatid contains a copy of the
DNA molecule.
Mechanical processes separate
the sister chromatids into two
chromosomes and distribute
them to two daughter cells.
Chromosome
duplication
(including DNA
synthesis)
Centromere
Separation
of sister
chromatids
Centrometers
Sister
chromatids
Sister chromatids
CROMOSOMI
• I cromatidi
I
idi sono uniti
i i da un centromero
d
centromero.
centromero
• I due cromatidi sono identici (a meno di mutazioni):
Non-sister
chromatids
Centromere
Duplication
Sister
chromatids
Two unduplicated
chromosomes
Sister
chromatids
Two duplicated chromosomes
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CROMOSOMI
– Diploide – Due copie di ciascun cromosoma (cellule del corpo).
• Cromosomi omologhi fatti da due cromatidi uniti al centromero.
– Aploide – Una sola copia di ciascun cromosoma (cellule sessuali).
•
•
CROMOSOMI
Il centromero contiene una sequenza di DNA specifica alla quale sono legati
due dischi di proteine, il cinetocore
cinetocore.
Il i t
Il cinetocore
f
funge
per punto
t di attacco
di tt
d i microtubuli
dei
i t b li lungo
l
I
I quali
li sii avra’ la ’l
divisione dei cormatid.:
Metaphase chromosome
Centromere
region of
chromosome
Kinetochore
Kinetochore
microtubules
Sister Chromatids
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FASI DEL CICLO
FASI DEL CICLO
•
•
•
Interfase
f
– G1 ‐ crescita
– S ‐ sintesi
– G2 ‐ crescita
M ‐ mitosi
C ‐ citochinesi
INTERFASE
• G1 ‐ Crescita
• S – replicazione dei cromosomi (sintesi
sintesi) a produrre I I
sintesi) a produrre
cromatidi:
cromatidi:
– Uniti al centromero
al centromero
– Con siti di aggancio (ilil cinetocore)
cinetocore
• G2 – Condensazione dei cromosomi – Assemblaggio
p
del macchinario per la divisione
MITOSI
¾ Ciascuna cellula figlia riceve una copia dei cromosomi
presenti nella cellula madre. madre
¾ Produce due cellule identiche a quella di partenza.
replicazione
li i
Mit i
Mitosi
Cellula diploide
Mitotic Division of an Animal Cell
G2 OF INTERPHASE
Centrosomes
(with centriole pairs)
Nucleolus
Chromatin
Ch
ti
(duplicated)
Nuclear
Plasma
envelope membrane
PROPHASE
Early mitotic
spindle
Aster
Centromere
Chromosome, consisting
of two sister chromatids
PROMETAPHASE
g
Fragments
of nuclear
envelope
Kinetochore
Nonkinetochore
microtubules
Kinetochore
Ki
t h
microtubule
Mitotic Division of an Animal Cell
Mitotic Division of an Animal Cell
METAPHASE
ANAPHASE
Metaphase
plate
Spindle
Centrosome at Daughter
one spindle pole chromosomes
TELOPHASE AND CYTOKINESIS
Cleavage
furrow
Nuclear
envelope
forming
Nucleolus
forming
G2 dell’interfase
• Un rivestimento nucleare lega il nucleo.
nucleo
• Presenza di uno o piu’ nucleoli.
• Si formano due centrosomi da replicazione
di un singolo centrosoma.
• Nelle
N ll cellule
ll l animali
i li ciascun
i
centrosoma
t
h
ha
due centrioli.
• I cromosomi non sono ancora condensati.
G2 OF INTERPHASE
Centrosomes
((with centriole pairs)
p
)
Nucleolus
Chromatin
(duplicated)
Nuclear
Plasma
envelope membrane
Profase
• Le fibre di cromatina cominciano ad essere
di ti
distinguibili.
ibili
• I nucleoli scompaiono.
• Ciascun cromosoma appare come coppia
di cromatidi.
cromatidi
• Si forma il fuso mitotico fatto da centrioli e
microtubuli.
• Spinti
p
dai microtbuli I centrosomi si
allontanano gli uni dagli altri.
PROPHASE
Early
y mitotic
spindle
Aster
Centromere
Chromosome, consisting
Chromosome
of two sister chromatids
Metafase
• La parte piu’ lunga, dura ca. 20
minuti.
• I centrosomi sono ormai agli
g
estremi opposti.
•I centromeri si allineano lungola
piastra metafasica..
• Il cinetocore si attacca ai
microtubuli.
METAPHASE
Metaphase
plate
Spindle
Centrosome at
one spindle pole
FUSO MITOTICO
FUSO MITOTICO
• Insieme di centrosomi e microtubuli
• Controlla il movimento dei cromosomi
• I due centrosomi si dividono a partire da un centrosoma singlo
• L’assemblaggio dei microtubuli comincia proprio dai
centrosomi
• I microtubuli partono come raggi dal centrosoma.
ANAFASE
• Il passaggio piu’ corto: dura solo pochi
minuti.
• Inizia nel momento in cui I cromatidi si
separano.
• I microtubuli si accorciano richiamando I
cromatidi (a ca
ca. 1 µm/min).
µm/min)
• La cellula si allunga (altri microtubuli si
allungano).
• Alla
a fine,
e, a
ai due es
estremi
e ssi trovano
o a o due
insiemi di cromosomi identici.
ANAPHASE
Daughter
chromosomes
h
TELOFASE
• Si formano due nuclei.
•II cromosomi si decondensano.
• La mitosi e’ completae.
TELOPHASE AND CYTOKINESIS
Cleavage
g
furrow
Nuclear
envelope
forming
g
Nucleolus
forming
MITOSI IN TIME LAPSE
MITOSI IN TIME LAPSE
CITOCHINESI
•
Cleavage of cell into two
h l
halves
– Animal cells
Constriction belt of
actin filaments
– Plant cells
Cell plate
– Fungi and protists
Mitosis occurs
within the nucleus
citochinesi
100 µm
Cleavage furrow
Contractile ring of
microfilaments
Vesicles
forming
cell plate
Wall of
patent cell
1 µm
Cell plate
New cell wall
Daughter cells
D
Daughter
ht cells
ll
(a) Cleavage of an animal cell (SEM)
(b) Cell plate formation in a plant cell (SEM)
