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Un viaggio dentro la cellula
Un viaggio dentro la cellula Le cellule: unità strutturali e funzionali Una cellula è l’unità fondamentale della vita. È la struttura più semplice in grado di compiere tutte le attività richieste per la vita. tipi di cellule le cellule eucarioti: organuli racchiusi in membrane nucleo che contiene il DNA cellulare. le cellule procarioti prive di organuli e nucleo. Nucleo (al cui interno si trova il DNA) Cellula procariote Cellula eucariote DNA Organuli Figura 1.2 Classificazione: domini e regni dominio: procarioti SEM 3250 SEM 25 000 regni: Eubacteria e Archaebacteria Figura 1.4A Figura 1.4B dominio degli Eucarioti 275 comprende più regni: i protisti (protozoi e alghe, che costituiscono vari regni); Funghi Piante Animali Figura 1.4C-F microscopi Il microscopio ottico LM, dall’inglese Light Microscope, utilizza la luce per osservare un campione permette di vedere forma e struttura di una cellula. Oculare Lenti dell’oculare Lenti dell’obiettivo Campione Lenti del condensatore Fonte di luce Figura 4.1A microscopi ottici ingrandiscono le cellule (vive e conservate) fino a Figura 4.1B LM 1000 1000 volte le loro dimensioni reali ingrandimento: aumento delle dimensioni rispetto all’originale 220 1000 Tipi diversi di microscopi ottici Figura 4.1E – Immagine ottenuta con un microscopio Figura 4.1F – Immagine ottenuta con ottico a contrasto di fase. un microscopio confocale a fluorescenza. microscopio elettronico ha un potere di risoluzione molto più elevato potere di risoluzione: distanza minima fra due punti per poterli distinguere (occhio umano 0,1 mm) ingrandimento: anche 100 000 volte rivela i dettagli cellulari: dettagli esterni: microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope). dettagli interni: microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission SEM 2000 TEM 2800 Electron Microscope). Figura 4.1C – Figura 4.1D – dimensioni delle cellule Le cellule variano per dimensione e e forma si tratta di una porzione di spazio circondato da membrana e contenente citoplasma citoplasma: soluzione acquosa gelatinosa contenente sali e biomolecole. Figura 4.2 dimensioni cellulari sono limitate da: area superficiale abbastanza estesa da permettere scambi efficaci con l’ambiente esterno per assunzione delle sostanze nutritive per eliminazione delle sostanze di rifiuto. Una cellula piccola ha un rapporto superficie/volume maggiore di una cellula grande della stessa forma. 10 m 30 m 30 m grosso cubo Volume= 27000m3 Area sup 5400 m2 Figura 4.2 10 m 27 piccoli cubi Volume= 27000m3 Area sup complessiva 16200 m2 Le cellule procarioti hanno una struttura più semplice delle cellule eucarioti Colorizzata TEM 15 000 Cellula procariote Nucleoide Nucleo Figura 4.3A Cellula eucariote Organuli cellule procarioti negli eubatteri e negli archebatteri cellule piccole assenza di organuli eccetto i ribosomi non hanno un nucleo circondato da una membrana: il DNA è situato nel nucleoide. membrana cellulare ricoperta da una parete (talvolta presenza di pili e/oflagelli) Flagelli batterici Ribosomi Capsula Parete cellulare Membrana cellulare Nucleoide (DNA) Figura 4.3B Pili cellule eucarioti presenza di un vero e proprio nucleo. sistema di membrane interne che suddivide il citoplasma zone diverse con funzioni e attività differenti, attività chimiche complessive della cellula (metabolismo cellulare: anabolismo e catabolismo). cellula eucariota animale Una cellula animale contiene una varietà di organuli circondati da membrane. Reticolo endoplasmatico ruvido Reticolo endoplasmatico liscio Nucleo Flagello Assenti nella maggior parte delle cellule vegetali Lisosoma Ribosomi Centriolo Perossisoma Microtubulo Figura 4.4A Citoscheletro Filamento intermedio Apparato di Golgi Membrana plasmatica Mitocondrio cellula vegetale Nucleo strutture che sono assenti in a una cellula animale, come i cloroplasti, vacuolo centrale, parete cellulare rigida.Apparato di Golgi Assenti nelle cellule animali Vacuolo centrale Cloroplasto Parete cellulare Mitocondrio Perossisoma Figura 4.4B Membrana plasmatica Reticolo endoplasmatico ruvido Ribosomi Reticolo endoplasmatico liscio Microtubulo Filamento intermedio Microfilamento Citoscheletro La membrana plasmatica I fosfolipidi: principali componenti strutturali formano una struttura a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico Gruppo fosfato le teste (idrofile) a contatto con l’acqua, le code verso l’interno (idrofobe) Teste Acqua O CH CH2 O O C O C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 Figura 4.5B O CH2 CH2 Code 2 O O P O– CH2 CH2 Acqua + CH3 CH2 N CH3 CH3 CH Testa idrofila Schema di un fosfolipide CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH3 Code idrofobe Fibre della matrice extracellulare Carboidrato (della glicoproteina) mosaico fluido Glicoproteina Glicolipide Membrana plasmatica colesterolo controllo della fluidità Fosfolipide Proteine Filamenti del citoscheletro Colesterolo Citoplasma proteine di membrana intrinseche non intrinseche glicoproteine (glicocalice) i diversi componenti possono muoversi lateralmente nella membrana Le cellule animali secernono uno strato appiccicoso di glicoproteine, la matrice extracellulare. La matrice tiene unite le cellule nei tessuti.. sistema di membrane interne • insieme di organuli circondati da membrane • in comunicazione tramite membrane interne • lavorano insieme nel sintetizzare, immagazzinare e distribuire i prodotti cellulari (lipidi e proteine) connessione strutturale e funzionale. Reticolo endoplasmatico ruvido Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo endoplasmatico Vescicola di trasporto proveniente dall’apparato di Golgi Membrana plasmatica Nucleo Vacuolo Lisososma Figura 4.6 Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Apparato di Golgi nucleo è il centro di controllo della cellula contiene il DNA l’organulo più grande contiene il nucleolo Cromatina Nucleolo Nucleo Membrana nucleare a doppio strato sede di sintesi dei ribosomi è separato dal citoplasma Poro tramite la membrana nucleare presenza di pori per l’uscita di grosse molecole. Figura 4.7 Reticolo endoplasmatico ruvido Ribosomi reticoli endoplasmatici: RER Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) sacche (cisterne) appiattite ricoperte da ribosomi due funzioni principali: produrre componenti del sistema di membrane; assemblare e modificare le proteine (glicoproteine) destinate a essere secrete dalla cellula. I ribosomi producono proteine secrete dalla cellula inserite nelle membrane trasportate in vescicole ad altri organuli. Vescicola di trasporto 4 che si stacca Ribosoma Vescicola di trasporto con all’interno una glicoproteina 3 Catena glucidica 1 2 Glicoproteina Polipeptide Reticolo endoplasmatico reticolo endoplasmatico liscio • sintetizza i lipidi (acidi grassi, fosfolipidi, steroidi) Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido • demolisce le tossine e i farmaci nelle cellule del fegato • immagazzina e rilascia ioni calcio nelle cellule muscolari. Involucro nucleare Ribosomi Reticolo endoplasmatico liscio Reticolo endoplasmatico ruvido Figura 4.9 TEM 45 000 • costituito prevalentemente da tubuli L’apparato di Golgi sacchetti appiattiti impilati uno sull’altro ricevono e modificano i prodotti del RER e REL li trasportano ad altri organuli o sulla superficie della cellula (per essere secreti). Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo Apparato di Golgi Apparato di Golgi Nuova vescicola in formazione Figura 4.10 Lato «di uscita» dell’apparato di Golgi Vescicola di trasporto prodotta dall’apparato di Golgi TEM 130 000 Lato «d’ingresso» dell’apparato di Golgi lisosoma vescicola circondata Reticolo ruvido da membrane. contiene enzimi idrolitici con funzioni digestive 1 Vescicola di trasporto (contenente enzimi idrolitici inattivi) Apparato di Golgi Membrana plasmatica centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. demolisce le sostanze alimentari e di rifiuto delle cellule Sostanze nutritive Introduzione delle particelle 2 Lisosomi 3 Vacuolo alimentare Figura 4.11B Il lisosoma ingloba l’organulo danneggiato 5 4 Digestione Nei globuli bianchi i lisosomi distruggono i batteri nocivi che sono stati ingeriti. Lisosoma Figura 4.11A TEM 8500 Nucleo lisosomi particolari: perossisomi organuli circondati da membrana che contengono la perossidasi enzima in grado di trasformare il perossido di idrogeno in ossigeno e acqua Frammento di mitocondrio Frammento di perossisoma TEM 42 500 Due organuli danneggiati all’interno del lisosoma vacuoli vescicole circondate da membrana cellule vegetali: grande vacuolo centrale che ha funzioni litiche e di riserva. cellule animali: vacuoli alimentari Nucleo Figura 4.12A Colorata TEM 8 700 Cloroplasto Vacuolo centrale vacuoli contrattili: in alcuni protisti pompano all’esterno l’acqua in eccesso. Vacuoli contrattili Figura 4.12B LM 650 Nucleo organuli convertitori di energia: cloroplasti nelle piante e in alcuni protisti convertono l’energia solare in energia chimica la immagazzinano negli zuccheri. contengono DNA Cloroplasto Membrana interna ed esterna Grano Spazio tra le membrane Figura 4.13 TEM 9750 Stroma mitocondri Mitocondrio Membrana esterna Spazio intermembrana Membrana interna Creste Matrice Figura 4.14 TEM 44 880 svolgono la respirazione cellulare convertono l’energia chimica presente negli alimenti in energia utilizzabile dalla cellula contengono DNA di origine materna origine di cloroplasti e mitocondri Procariote ipotesi endosimbionte • mitocondri e cloroplasti derivano da procarioti simbionti di eucarioti un miliardo di anni fa acquisizione della capacità di utilizzare l’ossigeno Procariote Cellula ospite Endosimbiosi Mitocondrio Cloroplasto La membrana interna: batterica la membrana esterna: prodotta dalla cellula ospite Dati a favore dell’ipotesi: 1. la dimensione di entrambi è simile a quella di un batterio 2. contengono un loro DNA (anche se non sono autosufficienti) 3. possono dividersi formando copie simili a se stessi Mitocondrio Cellula eucariotica fotosintetica Il citoscheletro 1 scheletro delle cellule fibre proteiche di sostegno 3 tipi di fibre a seconda delle dimensioni Figura 4.15 Il citoscheletro 2 I microfilamenti: permettono alle cellule di cambiare forma e di muoversi. I filamenti intermedi e i microtubuli: funzione di ancoraggio per gli organuli (es. vescicole di trasporto) e di guida per i loro movimenti. Subunità di tubulina Subunità di actina Subunità fibrosa 7 nm Microfilamento 25 nm 10 nm Filamento intermedio Microtubulo ciglia e flagelli appendici locomotorie di alcune cellule eucariote ciglia: numerose flagello: unico o doppio costituiti da microtubuli consentono il movimento Figura 4.16A LM 600 Colorizzata SEM 4100 Figura 4.16B ciglia e flagelli 2 Flagello sezioni trasversali Coppia di microtubuli esterni TEM 206 500 Microtubuli centrali Flagello: struttura 9 + 2 TEM 206 500 Membrana plasmatica Corpo basale Corpo basale: 9 triplette Figura 4.16C I centrioli strutture formate da microtubuli (9 triplette) sono presenti a coppie nella cellula ruolo importante nella divisione cellulare no cellule vegetali cellule vegetali vs animali Vacuolo centrale Plastidi: cloroplasti, leucoplasti (riserva), cromoplasti (pigmenti) Parete(cellulosa o lignina): forma precisa della cellula sostegno protezione No lisosomi né centrioli né citoscheletro né organi di locomozione no colesterolo nella membrana Superfici e giunzioni cellulari organismi pluricellulari, coordinamento fra le cellule di un unico organismo. interazione fra cellule e con l’ambiente attraverso la loro superficie. plasmodesmi cellule vegetali: pareti rigide Tra cellule vegetali adiacenti numerosi canali giunzioni cellulari per consentire la comunicazione all’interno dei tessuti vegetali continuità del citoplasma. Vacuolo Plasmodesmi Strati di una parete di cellula vegetale Figura 4.17A Citoplasma Membrana plasmatica Pareti di due cellule vegetali adiacenti giunzioni: cellule animali Vari tipi di giunzioni giunzioni serrate o gap junction: mettono in contatto le cellule tra loro Giunzione occludente Desmosoma gap junction Matrice extracellulare Figura 4.17B Spazio fra le membrane cellulari Membrane cellulari di cellule adiacenti Le categorie funzionali degli organuli cellulari 4.18 Gli organuli eucarioti sono suddivisi in quattro categorie funzionali Gli organuli ricadono in quattro categorie funzionali: assemblaggio; demolizione; trasformazioni energetiche; sostegno, movimento e comunicazione tra cellule. Gli organuli e le loro funzioni: Tabella 4.18