Suore Salesiane dei Sacri Cuori
Liceo linguistico
2L
LA
CELLULA
Docente: Valeria Petrizzelli
Anno Accademico 2015-16
<<A metà strada tra il mondo infinitamente grande
(galassie) e quello infintamente piccolo (atomi) esiste un
terzo mondo, quello dell’infinitamente complesso, tipico
degli esseri viventi e la biologia è unica proprio perché
studia questo mondo>>
La cellula è l’unità strutturale e funzionale di cui sono costituiti tutti gli esseri viventi.
E’ l’unità minima della vita perché capace di svolgere le funzioni tipiche dei viventi.
La scienza che studia la
cellula si chiama citologia,
dal greco kytos = celletta.
Perché si chiama «cellula»?
Il botanico inglese Hooke, osservando un sottile strato di sughero
sotto un microscopio di sua invenzione vide che era costituito da
tante cellette vuote che chiamò appunto «cells».
Nell’800, i progressi nella microscopia e numerose altre osservazioni posero le basi per
l’ancora oggi riconosciuta «teoria cellulare»:
a. tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule;
b. la cellula è la più piccola unità di materia vivente che possiede le caratteristiche
della vita;
c. tutte le cellule derivano da altre cellule.
Cosa significa essere vivo? Come fa qualcosa ad essere considerato
vivente? Quali sono le funzioni tipiche dei viventi?
Tutti i viventi sono composti da cellule.
Le cellule sono i componenti di base di tutte le strutture viventi. Alcuni organismi sono costituiti
da singole cellule, come i batteri, e sono detti unicellulari, altri da moltissime cellule (come noi
umani) e sono detti pluricellulari.
Si riproducono.
Tutti gli organismi viventi si riproducono in modo sessuato o asessuato.
Scambiano materia ed energia.
I sistemi viventi sono considerati sistemi aperti in quanto sono in grado di scambiare materia ed
energia con l’ambiente circostante. Conseguono uno stato di organizzazione usando l’energia
che estraggono dal loro ambiente e questa viene utilizzata per convertire la materia nella forma
più adatta all’organismo.
Si evolvono e si adattano.
Tutti gli organismi viventi si evolvono e si adattano al proprio ambiente.
Rispondono all'ambiente.
Tutti gli organismi viventi rispondono agli stimoli dell'ambiente in cui vivono.
Uno sguardo alle dimensioni…
Salvo qualche eccezione, la maggior parte delle cellule non è visibile ad occhio nudo, ma solo al
microscopio ottico.
L’ordine di grandezza delle cellule è quello dei micrometri.
1 µm = 10-6 m = 10-3 mm
http://learn.genetics.utah.edu/content/cells/scale/
Esempio pratico.
Se stimiamo che la dimensione di una cellula è di 10 µm quante cellule occorerà impilare per fare
una persona di 1 metro di altezza?
100.000 cellule
Capite quanto sono piccole?
https://www.youtube.com/watch?v=fGaVPIWzeDw
ORGANIZZAZIONE GENERALE DI UNA CELLULA
• Membrana cellulare pellicola esterna che la protegge e la separa dalle
altre cellule, ma allo stesso consente gli scambi tra esterno ed interno.
• Citoplasma materiale acquoso gelatinoso che occupa la maggior parte
del lume cellulare.
• Nucleo (in alcune cellule nucleoide) regione specializzata contenente il
DNA della cellula, ovvero la molecola in cui risiede l’informazione
genetica.
Le cellule si dividono in due grandi gruppi:
PROCARIOTI
dal greco pro-karyon = prima del nucleo.
Sono rappresentate dai batteri
unicellulari.
EUCARIOTI
dal greco eu-karyon = vero nucleo.
Possono essere unicellulari come i
protisti e alcuni funghi o pluricellulari
come i funghi, le piante e gli animali
(compreso l’uomo)
CELLULA PROCARIOTE
Dimensioni: la maggior parte misura tra 1-10 µm
Caratteristiche strutturali
Le cellule sono circondate da una membrana plasmatica che le protegge e consente gli
scambi con l’esterno.
La membrana è a sua volta circondata da una parete cellulare costituita da zuccheri e
proteine che consente di distinguere i batteri e conferisce loro il carattere patogeno.
Alcuni batteri presentano anche una capsula esterna come barriera supplementare.
Il lume cellulare è costituito dal citoplasma in cui si trovano, come unici organuli, i
ribosomi, piccole strutture adibite alla sintesi delle proteine a partire dagli aa.
Il DNA non è circondato da una membrana, ma è solo circoscritto in una regione del
citoplasma chiamata nucleoide.
Oltre al DNA è presente un plasmide ovvero una piccola molecola di DNA che conferisce
caratteristiche aggiuntive al batterio, come per esempio la resistenza agli antibiotici.
Esternamente alla cellula possono
essere presenti:
• pili --> piccole estroflessioni che
consentono il trasferimento del
materiale genetico tra un batterio
ed un altro
• flagelli --> estroflessioni più lunghe
e meno numerose che consentono al
batterio di muoversi e nutrirsi
Es. di varie cellule batteriche
CELLULA EUCARIOTE
Dimensioni: la maggior parte misura tra 10-100 µm (è minimo 10 volte più grande di
una cellula procariote) ad eccezione di cellule uovo e cellule nervose di alcuni animali.
Cellula animale
Cellula vegetale
Dal punto di vista biologico i viventi si presentano come strutture
modulari date dall’interazione organizzata delle loro cellule.
La singola cellula, come l’organismo intero pluricellulare, possono
essere considerati dei sistemi poichè, dal punto di vista biologico si
presentano come strutture modulari date dall’interazione organizzata
delle varie parti che li compongono e che si comportano come un tutto
unico poichè legate da complesse relazioni.
La cellula è organizzata come un centro di produzione, una fabbrica,
dove ogni operaio sa cosa deve fare, esistono le strutture per farlo, le
materie prime in entrata, lo smaltimento dei rifiuti, ed è necessario
che vi sia energia e che le strutture siano mantenute in ordine.
Al suo interno possiamo riscontrare strutture che assolvono a funzioni
paragonabili alle funzioni svolte dagli apparati nell’intero organismo
(questa analogia è suggerita dal nome “organuli”.
Caratteristiche strutturali
(comuni a tutte le cellule eucariote)
Le cellule sono circondate da una membrana plasmatica che le protegge e
consente gli scambi con l’esterno.
Il lume cellulare è costituito dal citoplasma in cui si trovano numerose strutture
specializzate chiamate «organuli cellulari» alcuni dei quali costituiscono, insieme
alla membrana cellulare, il sistema di endomembrane.
Il DNA è protetto da una membrana nucleare che lo separa dal citoplasma.
Una rete interna di filamenti chiamata citoscheletro costituisce l’impalcatura
della cellula.
MEMBRANA PLASMATICA
MEMBRANA PLASMATICA
https://www.youtube.com/watch?v=qu0V-X9D0tA
MEMBRANA PLASMATICA
E’ una sottile pellicola che circonda il citoplasma e che separa l’ambiente
intracellulare da quello extracellulare.
La compartimentazione è un elemento di ordine che consente il confinamento
delle attività biologiche, ma che non va confuso con l’isolamento: la cellula (negli
organismi pluricellulari) non è isolata dal suo contesto, ma è in stretta relazione
con le cellule vicine e l’intero organismo.
Una delle funzioni fondamentali della membrana è appunto quella di regolare
gli scambi con l’ambiente esterno e di ricevere i segnali ormonali.
STRUTTURA
E’ costituita da un doppio strato fosfolipidico che si dispongono con le teste idrofile
verso gli ambienti acquosi (esterno ed interno), mentre le code idrofobe sono rivolte le
une verso le altre.
All’interno del doppio strato si trovano delle proteine totalmente immerse o
semplicemente appoggiate che sono responsabili dei trasporti in entrata o in uscita.
Legate a queste proteine possono essere presenti dei polisaccaridi a formare delle
glicoproteine che fungono proprio da recettori di segnale es. ormoni.
Queste proteine possono muoversi all’interno della membrana che per questo viene
definita come un modello a mosaico fluido.
Sono presenti anche molecole di colesterolo che invece tendono a stabilizzarne la
struttura.
Curiosità...
Lo spessore medio della membrane plasmatica è
di 8 nm (0,008 µm).
Ciò significa che per arrivare allo spessore di un
foglio di 1 mm devo sovrapporre quante
membrane?
125.000
NUCLEO
E’ la zona in cui, nelle cellule eucariote, è confinato il DNA, ovvero la molecola in cui risiede
l’informazione genetica.
Il DNA è normalmente associato a delle proteine a formare la cromatina cioè un ammasso di
filamenti che si spiralizzano in cromosomi solo nel momento della divisione cellulare.
Il nucleo è delimitato da una membrana nucleare ricca di pori che consentono gli
scambi di molecole con il citoplasma.
Una regione centrale chiamata nucleolo è responsabile della sintesi dei ribosomi.
RIBOSOMI
Sono piccoli organuli costituiti da RNA e proteine.
Vengono sintetizzati nel nucleolo e si possono trovare liberi nel citoplasma o
associati al reticolo endoplasmatico.
Sono coinvolti nella sintesi proteica ovvero la produzione delle proteine
necessarie alla cellula con le istruzioni provenienti dal nucleo (DNA).
SISTEMA DI ENDOMEMBRANE
E’ costituito da tre organuli fortemente interconnessi tra loro.
• Sono
• Si distingue in rugoso e liscio a seconda della
presenza o assenza di ribosomi sulla superficie.
vescicole
provenienti
dall’apparato di Golgi che contengono
E’ costituito da compartimenti a forma di sacchi
enzimi
delimitati da membrana. In esso avviene la
idrolitici
deputati
alla
sintesi di gran parte delle proteine e dei lipidi
digestione delle molecole di scarto del
necessari alla cellula che vengono racchiusi in
metabolismo cellulare o di molecole
vescicole che si dirigono verso il Golgi.
dannose.
Reticolo
endoplasmatico
• È costituito da un insieme di sacchi appiattiti
impilati l’uno sull’altro e delimitati da membrana,
detti cisterne. Accoglie le vescicole provenienti dal
RE e funziona come un centro di imballaggio,
deposito, modificazione e smistamento. Le vescicole
contenenti le molecole mature lasciano il Golgi per
dirigersi verso altri organuli o verso la membrana
plasmatica.
Apparato di Golgi
Lisosomi
CITOSCHELETRO
E’ costituito da una fitta rete di filamenti che si dividono in: microtubuli,
microfilamenti di actina e filamenti intermedi.
FUNZIONI
SOSTEGNO
MOVIMENTO
COMUNICAZIONE/TRASPORTO
Mantiene la forma delle cellule perchè
Consente i movimenti delle cellule, la
I microtubuli costituiscono dei veri e proprio
costituisce una sorta di impalcatura interna in
contrazione muscolare, le variazioni di forma,
binari sui quali viaggiano le vescicole o gli
cui anche gli organuli sono mantenuti in
grazie al continuo rimaneggiamento dei
organuli che devono essere trasportati da una
posizione
filamenti
parte all’altra della cellula.
Microtubuli in verde
e filamenti di actina
in rosso
https://www.youtube.com/watch?v=7sRZy9PgPvg
MITOCONDRI
MITOCONDRI
Rappresentano la centrale elettrica della cellula infatti sono
numerosi ed al loro interno si svolge il processo di respirazione
cellulare ovvero la produzione di energia grazie ai nutrienti
assorbiti e all’ossigeno inspirato.
MITOCONDRI
Sono delimitati da una doppia membrana:
• membrana mitocondriale esterna
• membrana mitocondriale interna che si ripiega verso
l’interno a formare le cosiddette creste mitocondriali.
Lo spazio tra le due membrane è definite spazio intermembrana, mentre il lume
prende il nome di matrice mitocondriale.
Sono gli unici organelli, insieme ai cloroplasti delle cellule vegetali, ad avere un
proprio DNA mitocondriale, insieme ai ribosomi necessari per la sintesi proteica.
CIGLIA
Hanno la stessa struttura di base dei filamenti del
citoscheletro. Sono delle appendici corte e numerose
deputate alla locomozione della cellula ed al suo
nutrimento poichè il loro movimento sincronizzato
consente di convogliare il cibo verso la cellula.
Nell’uomo, cellule ciliate si riscontrano a livello
dell’apparato respiratorio dove svolgono la funzione
di convogliare il muco (che intrappola batteri e
particelle estranee) verso la faringe per essere
deglutito.
FLAGELLI
Hanno la stessa struttura di base dei filamenti del citoscheletro.
Sono delle appendici lunghe e meno numerose deputate alla locomozione della cellula
perchè ruotando su se stessi fungono da organi propulsori per il movimento della
cellula.
FLAGELLI
Nell’uomo le uniche cellule flagellate
sono gli spermatozoi maschili che
necessitano di muoversi per
raggiungere l’ovulo da fecondare.
CARATTERISTICHE ESCLUSIVE DELLA CELLULA VEGETALE
CLOROPLASTI
PARETE CELLULARE
VACUOLO
Sono organuli contenenti clorofilla, il
plasmatica che svolge una funzione di
Sono l’equivalente dei lisosomi animali
pigmento verde responsabile della
supporto e contribuisce a mantenere la
perché possono essere sfruttati come
reazione di fotosintesi che sfrutta
forma della cellula. Le pareti cellulari
deposito di materiale di rifiuto, ma
l’energia solare per produrre il
di cellule contigue sono in
anche di sostanze nutritive. In genere è
nutrimento necessario alla pianta e a
comunicazione tra loro grazie a dei
presente un unico vacuolo che occupa
tutta la catena alimentare.
canali detti plasmodesmi.
quasi l’80% del lume cellulare.
È una parete esterna alla membrana
CLOROPLASTI
Come i mitocondri sono avvolti da una doppia
membrana e contengono DNA e ribosomi.
La clorofilla è contenuta in dischi appiattiti detti
tilacoidi che si organizzano a formare delle pile
dette grani.
Fanno parte di una classe più ampia di organuli definiti plastidi che comprende:
• leucoplasti incolori, costituiscono depositi di amido
• cromoplasti organuli colorati presenti soprattutto nei petali dei fiori con la
funzione di attrarre gli insetti.
N.B.: le cellule non sono tutte
uguali e non sono isolate tra
loro, almeno negli organismi
pluricellulari.
La rappresentazione presente
sui libri di testo è solo un
modello generale.
Cellula procariote
Cellula eucariote
vegetale
Cellula eucariote
animale
“Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution”
Dobzhansky (1973)
Chi è nata prima, la
cellula procariote o la
cellula eucariote?
Come e quando si è
avuto il passaggio da
cellula procariote a
cellula eucariote?
Per capirlo dobbiamo
ripercorrere la nostra
storia evolutiva.
Per i primi 2 mld di anni la vita sulla Terra era dominata esclusivamente da
organismi procarioti, ma come hanno fatto le cellule procariotiche – prive di nucleo,
mitocondri e organuli – a diventare le cellule eucariotiche che formano tutti gli
organismi pluricellulari del nostro pianeta?
Il tutto è cominciato con un
abbraccio…
TEORIA DELL’ENDOSIMBIOSI
Circa 2 mld di anni fa un procariote aerobio (capace di utilizzare l’O2) fu inglobato in un
procariote anaerobio più grande (probabilmente avvelenato dall’O2). Questo processo di
simbiosi portò ad un vantaggio reciproco perchè il procariote aerobio conferiva la capacità di
sfruttare l’O2 che via via si stava accumulando nell’atmosfera a scopi energetici ottenendo in
cambio protezione. Il procariote aerobio si è ma man evoluto in un vero e proprio organello che
oggi chiamiamo mitocondrio. Si è formata così la prima cellula eucariote (animale). Questa,
inglobando a sua volta un cianobatterio capace di produzione fotosintetica ha dato origine a
cellule eucariote vegetali con l’evoluzione del cianobatterio in cloroplasto.
I due principali vantaggi evolutivi degli eucarioti consistettero nell’acquisizione di:
- mitocondri organuli capaci di utilizzare a scopi energetici l’O2 che via via si accumulava
nell’atmosfera e che era tossico per la maggior parte degli organismi
- cloroplasti organuli capaci di compiere fotosintesi
Una delle prove della teoria endosimbiotica…
PROTISTI
Prime cellule eucarioti unicellulari
E perchè è avvenuto il passaggio alla pluricellularità e cosa ha comportato?
Mentre negli unicellulari (procarioti od eucarioti) una singola cellula deve assolvere a
tutte le funzioni necessarie per la sopravvivenza dell’organismo (nutrimento,
movimento, escrezione, riproduzione etcc..) negli organismi pluricellulari l’evoluzione
ha portato ad una maggiore efficienza grazie al differenziamento cellulare: gruppi di
cellule hanno cominciato a dividersi i compiti da svolgere.
Cellule specializzate nello svolgere una determinata funzione si associano tra loro a
formare i tessuti.
Negli organismi superiori, più tessuti si associano tra loro dando luogo ad unità
funzionali dette organi (es. lo stomaco è formati da tutti e 4 i tessuti dell’organismo).
Più organi cooperano tra loro dando origine a sistemi e apparati che provvedono allo
svolgimento di determinate funzioni.
L’insieme degli apparati e dei sistemi costituisce l’organismo.
Questo livello
gerarchico di
organizzazione ha
conferito agli
organismi
pluricellulari un
vantaggio evolutivo
grazie alle nuove
opportunità offerte
dalla divisione del
lavoro cellulare.
Perchè le dita si raggrinziscono al mare? O perchè si mettono le zucchine sotto sale?
Cercheremo di rispondere a queste domande con il prossimo argomento.
IL TRASPORTO CELLULARE
La membrana plasmatica svolge una funzione indispensabile per la vita della cellula:
consente gli scambi in entrata (di materiale nutritivo) ed in uscita (di materiale di
scarto) con l’ambiente esterno.
L’ambiente esterno delle cellule è costituito dal fluido in cui sono immerse e prende il
nome di liquido intercellulare, mentre il fluido gelatinoso interno prende il nome di
citoplasma.
La membrana si comporta come una barriera selettiva che consente solo il passaggio
di piccolo molecole come H2O, O2, CO2 e ioni, mentre blocca il passaggio di molecole
più grandi; è per questo detta membrana semipermeabile.
Il passaggio delle sostanze può svolgersi secondo un trasporto:
PASSIVO
È un trasporto che avviene
per semplice diffusione senza
che la cellula spenda energia
ATTIVO
È un trasporto che
richiede un apporto di
energia da parte della
cellula
Il trasporto passivo può avvenire per:
DIFFUSIONE SEMPLICE
DIFFUSIONE FACILITATA
Consiste nel libero passaggio di molecole come H2O,
O2, CO2
secondo il proprio gradiente di
concentrazione: dalla zona dove la molecola è più
concentrata alla zona dove è meno concentrata.
Es. scambio dei gas tra i capillari e gli alveoli
polmonari.
Il passaggio è mediato da proteine-canale che
aiutano le molecole più grandi ad attraversare
il doppio strato fosfolipidico della membrana
sempre secondo gradiente di concentrazione.
Es. il glucosio (importante in questo caso la
funzione dell’insulina)
Se per es. la cellula necessita di una sostanza presente all’esterno, ma in concentrazione inferiore
rispetto all’interno, questa, secondo gradiente di concentrazione tenderà ad uscire anzichè
entrare.
La cellula ha così predisposto dei meccanismi per il trasporto contro
gradiente di concentrazione che prendono il nome di trasporto attivo
proprio perchè viene consumata energia (sotto forma di ATP) per
consentire il passaggio delle molecule nel verso necessario alla cellula.
Il trasporto di macromolecole e microrganismi non può avvenire attraverso questo tipo di
meccanismi, ma avviene grazie a due processi in cui le sostanze vengono dapprima racchiuse in
vescicole:
ESOCITOSI
Consiste nel passaggio di molecole
come sostanze di rifiuto o ormoni che
devono essere portati al di fuori della
cellula. Queste sostanze vengono
racchiuse in vescicole che, fondendosi
con la membrana plasmatica, riversano
il loro contenuto all’esterno.
ENDOCITOSI
Consiste nel passaggio di molecole
complesse verso l’interno della
cellula. Queste sostanze vengono
man mano racchiuse in vescicole
formate dall’invaginazione della
membrana plasmatica stessa.
FAGOCITOSI
E’ un tipo particolare di endocitosi operata per es. da:
protisti come le amebe con lo
scopo di assumere cibo
(funzione nutritiva)
fagociti ovvero un tipo particolare
di globuli bianchi che appunto
fagocitano, ovvero inglobano e
distruggono particelle estranee
come i microrganismi (funzione
di difesa)
OSMOSI
Il caso particolare della diffusione dell’H2O
Supponiamo di avere una membrana semipermeabile che separa due soluzioni a diversa
concentrazione di soluto.
Il soluto è il componente presente in quantità minore in una soluzione (es. glucosio), mentra il
solvente è quello presente in quantità maggiore (in questo caso l’acqua).
La soluzione meno concentrata (o più diluita) è detta soluzione ipotonica, mentre quella più
concentrata ed è detta soluzione ipertonica.
La tendenza della cellula è quella di portare le due soluzioni alla stessa concentrazione cioè ad
essere isotoniche, ma essendo la membrana selettivamente permeabile non lascerà passare il
glucosio per distribuirsi uniformemente nelle due soluzioni.
Come fa la cellula a rendere uguali le due concentrazioni?
È l’H2O che potendo diffondere liberamente attraverso la membrana semipermeabile, tenderà a
diluire la soluzione ipertonica tanto da rendere uguali le concentrazioni delle due soluzioni.
Tre situazioni in cui può trovarsi la cellula...
Implicazioni biologiche dell’osmosi nel caso dei globuli rossi...
OSMOSI INVERSA
E’ un’osmosi forzata a lavorare in senso contrario e viene sfruttata per es. per ottenere acqua
dolce da acqua salata (dissalazione) o nei depuratori per uso domestico.
http://www.greenme.it/consumare/acqua/9903-depuratori-osmosi-inversa-bufala
