b1 la celllula - Liceo Scientifico Statale Vito Volterra

B1
LA C E L L L U L A
LA CELLULA
La cellula è la più piccola unità strutturale e
funzionale della materia vivente capace di
esistenza indipendente.
Esistono in natura migliaia di cellule diverse;
alcune di esse sono riportate nelle prossime
figure:
E. coli
Ameba Proteus
Cellula vegetale
(foglia di pioppo)
Globulo rosso umano
Le cellule sono organizzate in tessuti (gruppi
di cellule che adempiono una medesima
funzione).
Diversi tipi di tessuti, uniti strutturalmente e
coordinati nelle loro attività, formano gli organi.
Il corpo umano è composto da 100 mila miliardi
di cellule (1014), di oltre 200 tipi diversi,
classificate in quattro tipi di tessuti: 1)
epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4)
nervoso.
Tessuti epiteliali:
Sono costituiti da strati continui di cellule che
formano un rivestimento protettivo su tutto il
corpo e contengono terminazioni nervose
sensoriali. Avvolgono ogni organo interno e
costituiscono le membrane di rivestimento degli
organi, delle cavità e dei canali. Inoltre, l’epitelio
gioca un ruolo molto importante nel regolare il
movimento di entrata e di uscita dal corpo di
molecole e ioni.
Tessuti connettivi:
Uniscono, sostengono e proteggono gli altri tre tessuti.
Le cellule sono ampiamente separate tra di loro dalla
matrice extracellulare ricca di fibre connettive e di
sostegno come il collagene, fibre elastiche e reticolari. I
principali tessuti connettivi sono: l’osso, il sangue e la
linfa.
SANGUE
CELLULE GERMINALI
Tessuto muscolare:
Costituito
da
due
tipi
muscolo
fondamentali:
striato e muscolo liscio; il
muscolo striato scheletrico
(sotto controllo volontario) e
cardiaco. Il muscolo liscio è
quello
dell’apparato
digerente, utero, vescica e
vasi sanguigni. Il tessuto
muscolare liscio e quello
cardiaco sono involontari.
Tessuto nervoso:
Le unità fondamentali del tessuto nervoso sono i
neuroni (che trasmettono gli impulsi nervosi). Un
secondo tipo di cellule sono le cellule gliali (che
contengono i neuroni e sono dette nevroglia nel
s.n.c. e cellule di Schwann fuori del s.n.c.)
TEORIA CELLULARE
Il termine cellula fu coniato
per la prima volta nel 1665
da Robert Hook il quale
osservando al microscopio
composto
(detto
cosi
perchè formato da più lenti)
una fettina di sughero
molto sottile si accorse che
essa era tutta traforata e
formata da tanti comparti
separati da pareti cioè
“piccole
stanze”
che
chiamò cellule.
Successivamente
l’olandese
Leeuwenhoek
utilizzando il microscopio semplice (costituito da
una sola lente ed un ingrandimento 200x), che a
differenza di quello composto non dava
aberrazioni sferiche e cromatiche, osservò e
descrisse molte specie di protozoi, alghe e
batteri.
Ma dovettero passare più di 150 anni perchè
Schleiden per i tessuti vegetali e Schwann per
quelli animali enunciassero la teoria cellulare.
Alcune
loro
concezioni
si
rivelarono
successivamente
errate
ma
essi
erano
perfettamente scusabili.
Schleiden sosteneva che la riproduzione
cellulare era dovuta ad una sorta di gravidanza
della cellula.
Schwann riteneva invece che le cellule si
originassero da pezzetti di tessuto nel liquido
che si trova tra cellula e cellula.
Finché nel 1859 Virchow coniò il famoso
aforisma:”Ogni cellula deriva da un’altra
cellula”, valida ancora oggi.
La moderna teoria cellulare può essere
ricondotta a quattro affermazioni principali:
Tutta la materia vivente è formata da
cellule;
Tutte le cellule derivano da altre cellule;
L’informazione genetica è trasmessa da
una generazione all’altra;
Le reazioni chimiche che costituiscono il
metabolismo avvengono all’interno delle
cellule.
Dimensioni delle cellule
La tabella a destra riporta
le più importanti unità di
lunghezza internazionali.
Le cellule hanno (quasi
tutte) dimensioni molto
piccole. Ad es. una cellula
di E.coli ha un volume di
2x10-12 ml. Vi sono anche
cellule molto grandi come
ad
es.
l’acetabularia
(un’alga unicellulare lunga
5 cm!).
Nella tabella a destra
sono
riportate
le
dimensioni di alcune
piccole
biomolecole
(come l’alanina ed il
glucosio),
di
macromolecole
(tre
proteine ed un lipide), di
strutture sopramolecolari
(virus e ribosomi), di
organelli
cellulari
(mitocondri
e
cloroplasti),
di
un
batterio e di una cellula.
Le cellule batteriche sono lunghe circa 2 µm, mentre
quelle di animali superiori circa 20-30 µm.
Perchè le cellule non sono più piccole o più grandi di
come le conosciamo?
La risposta è che non possono essere più piccole
perchè le molecole costitutive che formano la loro
sostanza organica hanno dimensioni ben definite e
determinate dalla grandezza degli atomi di C, H, O,
N. Poichè un certo numero di diverse biomolecole
sono necessarie per la vita, se le cellule fossero più
piccole, esse dovrebbero essere costituite da atomi
più piccoli.
Inoltre, esiste un’altra ragione: le cellule piccole
possono muoversi senza aiuti meccanici od elettrici.
D’altra parte le cellule non possono essere più
grandi perchè la velocità del loro metabolismo
verrebbe limitata dalla velocità di diffusione delle
molecole di nutrienti.
Quindi deve esistere un rapporto ottimale tra
superficie e volume della cellula (che è maggiore
nei corpi piccoli rispetto a quelli più grandi di
uguale forma).
In conclusione: Il rapporto superficie/volume di
qualsiasi corpo solido di forma costante
diminuisce con l’aumentare delle sue dimensioni.
Questo principio è noto come effetto scala.
Dividendosi periodicamente la cellula riesce a
mantenere abbastanza costante il rapporto
superficie/volume e di conseguenza il suo
tasso metabolico.
Esistono due grandi classi di cellule:
PROCARIOTI ED EUCARIOTI
che rappresentano i costituenti di tutti gli
organismi viventi raggruppati nei 5 Regni
(secondo la classificazione di Wittaker).
PROCARIOTI
I procarioti sono le cellule più semplici e
più piccole, nonché le prime ad essere
state
originate
nella
evoluzione
biologica: un batterio fossile di 3,5
miliardi di anni fa è stato rinvenuto in
Australia.
Le cellule eucariote hanno avuto origine un
miliardo di anni più tardi, sono molto più grandi e
complesse e mostrano grande varietà e
differenziazione. Il termine procariota (dal greco
Karyon, nocciolo, nucleo), significa “prima del
nucleo” mentre eucariota significa “con un nucleo
ben formato”.
Quindi nei procarioti il materiale genetico é
localizzato nel cosidetto corpo nucleare o
nucleoide, molto irregolare e non circondato da
membrana.
Gli eucarioti invece posseggono un nucleo
altamente sviluppato e complesso circondato dal
rivestimento
nucleare
costituito
da
due
PROCARIOTI
I procarioti comprendono circa 3000 specie di
batteri (alcuni dei quali patogeni) e le alghe bluverdi o cianobatteri. Questi organismi vanno sotto
il nome di monere.
Le monere si dividono in due grandi gruppi: gli
archeobatteri e gli eubatteri. Gli archeobatteri
(scoperti in ambienti inospitali) possono vivere
fino a temperature di 360°C.
Vi fanno parte i tiobatteri (anaerobi che vivono in
ambiente fortemente acido), i batteri alofili (che
vivono in ambiente fortemente salino), i batteri
metanogeni (anaerobi che riducono la CO2 a
metano).
Gli eubatteri comprendono i batteri gram-positivi, i
mixobatteri, i batteri purpurei (paracoccus, E.coli
e salmonelle) e i cianobatteri (alghe blu-verdi).
La parete cellulare impedisce
al batterio di gonfiarsi quando
le concentrazioni di metaboliti
al suo interno diventano
maggiori di quelle dell’esterno.
Tale squilibrio fa salire la
pressione osmotica anche a
20
atm
e
la
cellula
scoppierebbe senza la parete
cellulare.
Come possiamo vedere nella
prossima figura, l’E.coli al pari
di molti altri batteri possiede
dei flagelli per il movimento.
All’interno della parete cellulare si trova la
membrana plasmatica (o membrana cellulare)
costituita da un doppio strato lipidico attraversato
da proteine che rendono la membrana
selettivamente permeabile per il trasporto delle
sostanze nutritive dall’esterno all’interno e dei
prodotti di rifiuto dall’interno all’esterno.
Inoltre,
le
cellule
procariote posseggono
un solo cromosoma
costituito da un’unica
molecola di DNA a
doppio
filamento,
fortemente avvolto su
se stesso nel nucleoide.
Il colibacillo è costituito
da una membrana e da
una parete cellulare
esterna
Escherichia coli (E.coli)
E’ un batterio gram-negativo che si trova
nell’intestino dell’uomo ed è il più studiato. Ha un
diametro di circa 1 µm ed una lunghezza di circa
2 µm, può dividersi ogni 20-30 min a 37°C in un
terreno di coltura contenente glucosio, sali
ammonici e minerali.
E. coli, come tutte le cellule procariote si
riproduce in maniera asessuale, cioè quando
raggiunge delle dimensioni circa doppie del
normale si divide in due cellule figlie identiche.
Si può muovere ad una
velocità molto elevata di 50
µm/sec per cui essendo
lungo solo 2 µm percorrere
in un secondo uno spazio 25
volte superiore alla sua
lunghezza. In paragone un
uomo alto 2 mt. dovrebbe
correre a 5O metri al
secondo!
Esso possiede oltre ai flagelli anche i pili e le fimbrie: i
primi servono alla coniugazione ed i secondi alle
cellule di aderire alla superficie.
Ma torniamo ai procarioti. Alcuni di essi
vengono classificati e denominati in base alla loro
forma. Come possiamo vedere nella prossima
figura alcuni sono a forma di bastoncello (E.coli, i
batteri della difterite, del tetano, della tubercolosi,
ecc.), altri come i cocchi sono sferici (a coppie,:
diplococchi, a grappoli: stafilococchi, a file:
streptococchi) ed altri come le spirochete sono di
forma elicoidale (es. spirocheta della sifilide).
Origine delle cellule
I procarioti sono quindi gli antenati di ogni forma
di vita sulla terra, ma come hanno avuto origine?
Esistono due ipotesi: l’autotrofa e l’eterotrofa.
Secondo l’ipotesi autotrofa il primo organismo
vivente dev’essere stato capace di autonutrirsi
(qualcosa di simile alle piante fotosintetiche), cioè
in grado di sintetizzare autonomamente le
molecole organiche di cui aveva bisogno.
A sfavore sta però il fatto che per sintetizzare
tutte le molecole organiche come carboidrati,
proteine e grassi a partire da semplici molecole
inorganiche come CO2, H2O ed NH3, questo
organismo avrebbe già dovuto possedere un
notevole corredo enzimatico, il che é assurdo.
Secondo l’ipotesi eterotrofa il primo organismo
sarebbe stato qualcosa di molto simile ad un
virus con una forma di vita molto semplice; la
difficoltà sta nel fatto che questo organismo
doveva essere circondato da un ambiente
formato dalle più complesse molecole organiche
(il che può anche essere).
Come hanno potuto avere origine le molecole
organiche?
L’atmosfera
terrestre
prima
dell’origine della vita e prima che si evolvesse la
capacità della fotosintesi mancava di O2, era cioé
un’atmosfera riducente.
Nel 1953 S. Miller fece un
exp. utilizzando le stesse
molecole che si pensava
fossero
tra
i
principali
componenti
dell’atmosfera
terrestre prima dell’origine
della vita e cioé: CH4, NH3,
H2O e H2.
Egli mise questa miscela in
un sistema chiuso in cui
venivano prodotte scintille
elettriche intermittenti (per
simulare i fulmini)
Dopo alcuni giorni la miscela cambiò colore e all’analisi
si trovarono varie molecole di aminoacidi, (i componenti
fondamentali delle proteine). Successivamente altri
esperimenti hanno portato alla sintesi di altri aminoacidi,
ATP e nucleotidi.
ORIGINE DELLA VITA
Nonostante la sintesi di molte molecole organiche, con
mezzi non biologici in laboratorio, simulando le
condizioni ambientali prima dell’inizio della vita sulla
Terra, c’è una notevole differenza tra le molecole
organiche e una cellula vivente.
Esistono due teorie sull’origine della vita sulla Terra,
quella di Fox e quella di Oparin:
Fox scopri che scaldando
delle miscele di amminoacidi
si
formano
catene
polipeptidiche che egli chiamò
proteinoidi i quali a contatto
con l’acqua si aggregano per
formare i cosidetti coacervati
di forma sferica e simile alle
cellule. Essi contenevano
molecole ad attività catalitica,
erano
semipermeabili
e
possedevano la capacità di
dividersi per gemmazione.
In alcuni batteri procarioti la membrana cellulare
contiene le proteine trasportatrici di elettroni per
la sintesi di ATP ed altri contengono clorofilla per
la fotosintesi.
La parte cellulare delimitata dalla membrana
plasmatica costituisce il citoplasma. Il citosol
rappresenta la parte acquosa del citoplasma nel
quale sono sospesi tutti gli organelli cellulari; si
tratta di un fluido altamente viscoso perchè è
costituito per il 50% da proteine. Una cellula di
E.coli contiene circa 2000 molecole diverse tra
amminoacidi, grassi, nucleotidi, vitamine, sali,
carboidrati e proteine e circa 15000 ribosomi
riuniti in grappoli chiamati polisomi.
Secondo questa teoria vennero prima le proteine
e solo successivamente gli acidi nucleici.
Secondo altri ricercatori furono gli acidi nucleici i
primi ad essere inglobati in una specie di virus
primordiale.
Secondo Oparin ed altri invece la sintesi della
prima particella autoriproducentesi detta protoorganismo è avvenuta attraverso una serie di
passaggi di tipo Darwiniano fino ad arrivare ad un
organismo a molti geni e poi ad un organismo
autotrofo capace di sintetizzare tutti i suoi
composti organici a partire da quelli inorganici.
EUCARIOTI