Struttura e funzioni delle cellule: un viaggio nel microcosmo vivente

1.La cellula

La cellula è la più piccola parte vivente di un organismo. Unità strutturale di un organismo.

Tipi di cellule

Le dividiamo in:

• Unicellulari (formate da una sola cellula).

• Pluricellulari (formate da più cellule).

• Autotrofe: cellule che riescono a sintetizzare a partire da molecole inorganiche molecole organiche.

• Eterotrofe: cellule che non riescono a sintetizzare a partire da molecole inorganiche molecole organiche.

• Procariote: cellule con il DNA non protetto da una membrana dunque libero nel nucleo.

• Eucariote : cellule con un nucleo ben formato e il DNA protetto da una membrana.

Le cellule sono di piccole dimensioni, ciò agevola la cellula, in quanto tanto più aumenta la superficie di contatto tanto più le reazioni chimiche avvengono facilmente.

2.

Sono formate da:

1. Membrana plasmatica

2. Citoplasma

3. Nucleo

2.1 Membrana plasmatica

Membrana plasmatica

È il limite tra l’ambiente intercellulare e quello extracellulare.

Struttura:

L’intera membrana appare composta prevalentemente da lipidi e proteine . È formata da un doppio strato bimolecolare di fosfolipidi e colesterolo intervallate da proteine globulari. La maggior parte dalla cellula appare rivestita da uno strato amorfo, lanuginoso denominato glicocalice. . La membrana plasmatica è una membrana semipermeabile (fa passare solo molecole di piccole dimensioni) con potere selettivo poiché fa passare anche molecole grandi se servono alla cellula e non permette il passaggio di quelle nocive.

Nel 1972 Singer, introduce il modello a mosaico fluido. Mosaico in quanto i fosfolipidi sono uno accanto all’altro come un mosaico. Fluido perché riescono a muoversi all’interno della membrana.

La membrana plasmatica e dunque formata da:

1. Fosfolipidi

2. Proteine (fanno passare le sostanze).

3. Colesterolo (rende più fluida la membrana).

4. Glicocalice (capta segnali dall’esterno e li trasmette all’interno, e viceversa).

2.2 Citoplasma

Citoplasma e organuli

La maggior parte delle attività sintetiche e metaboliche della cellula si esplica nel citoplasma. Al microscopio ottico ap-pare, un contenuto eterogeneo di organuli. Questi organuli sono immersi in una matrice rappresentata da un sistema colloidale polifasico che prende il nome di matrice citoplasmatica.

2.2.1 Gli organuli:

Funzioni degli organuli

Vacuoli

Sono delle cavità interamente ricoperte da una membrana chiamata tonoplasto. Si trovano solo nelle cellule vegetali. Accumulano sostanze o sostanze di rifiuto. Quando i vacuoli sono piccoli e i gran numero è segno che la cellula è gio-vane, se invece sono pochi e grandi allora la cellula è invecchiata, poi quando la cellula e molto vecchia c’è un solo grande vacuolo.

Vescicole

Sono cavità momentanee (compaiono e scompaiono a secondo le necessità della cellula). Si trovano sono nelle cellule animali

Ribosoma

È un' ultrastruttura ( dove per ultrastruttura si intendono corpuscoli che non si vedono a microscopio ottico ma solo in quello elettronico). Hanno origine nel nucleolo. I ribosomi sintetizzano le proteine. È formato da due subunità, una maggiore ed una minore, ogni subunità è formata da proteine e RNA ribosomale. Esistono tre tipi di ribosomi: liberi; addossati al reticolo endoplasmatico; raggruppati in polisomi (“molti ribosomi”).

Reticolo endoplasmatico

È un insieme di tuboli che si estendono per tutto il citoplasma e mette in comunicazione tutta la cellula. Esistono due tipi di reticolo endoplasmatico:

 RER (reticolo endoplasmatico ruvido): Elabora le proteine.

 REL (reticolo endoplasmatico liscio): elabora lipidi.

Nel RER sono presenti granuli ricchi di acido ribonucleico e proteine: i ribosomi, la cui funzione è legata alla sintesi delle proteine. Il REL manca di ribosomi, la sua funzione è legata alla sintesi dei lipidi e del glicogeno.

Complesso di Golgi (citologo italiano cui si deve la scoperta di questo complesso)

È un corpuscolo formato da un insieme di cisterne appiattiti uno sopra l’altro ed è in comunicazione col reticolo endo-plasmatico. In alcuni momenti diventano gonfie e ciò accade quando la cellula secerne. All’interno avvengono una serie di elaborazioni, le proteine vengono rielaborate. Da questo complesso hanno origine anche i lisosomi.

Lisosomi

Scindono le molecole e hanno origine nel complesso di Golgi. Sono corpuscoli distruttori. Si presentano di forma sferica e sono formati da una membrana che racchiude internamente enzimi litici. Distruggono sostanze nocive, estranee, i corpuscoli vecchi e le cellule morte.

N.B. Perossisomi: particolari lisosomi che presentano enzimi ossidativi. Svolgono un ruolo importante nel metabolismo dell’acqua ossigenata o del perossido d'idrogeno

Proteasomi: distruggono proteine quando non servono più.

Citoscheletro

Intreccio di microtubuli che servono da sostegno, lungo questi filamenti i corpuscoli si spostano (dunque hanno anche funzione di movimento) il movimento avviene per vibrazioni o correnti citoplasmatiche.

Il citoscheletro è formato da:

o Microtubuli. Formati da tubulina, con una sezione di 24 µm

o Filamenti intermedi. Formati da varie proteine, con una sezione di 12 µm

o Microfilamenti. Formati da actina con una sezione di 6 µm

Mitocondri

Mitocondri e cloroplasti

Corpuscoli di forma ovoidale allungata. Hanno funzioni ossidative, cioè sono capaci di produrre l’energia necessaria per gran parte delle attività meccaniche e metaboliche della cellula.

Sono formati da:

• Membrana esterna

Compartimento esterno

• Membrana interna

Compartimento interno (matrice mitocondriale)

La membrana interna s'introflette formando le creste mitocondriali, queste si estendono all’interno della matrice, au-mentando la superficie d’azione, nella quale gli enzimi e le proteine trasformano l’energia chimica in ATP. su queste creste mitocondriali ci sono delle catene proteiche (servono per la respirazione).

I mitocondri fungono da centrale energetica della cellula sotto forma di ATP, infatti sulle catene mitocondriali avven-gono delle reazioni di ossidoriduzione che liberano energia. In particolare demolisce C6H12O6 (glucosio) e PRODUCE ATP.

Cloroplasto (“corpo verde”)

Si trova solo nelle cellule vegetali. Fa la fotosintesi clorofilliana. È un corpuscolo a forma di lente biconvessa.

È formato da:

• Membrana esterna

Compartimento esterno

• Membrana interna

Compartimento interno (stroma)

La membrana interna s'introflette formando le lamelle stromatiche, dove ci sono i grana , sacchetti membranosi impilati, queste membrane si chiamano tilacoidi ed associate ai tilacoidi vi è la clorofilla.

Strutture cellulari specializzate

Centrioli

Sono ultrastrutture. Hanno la forma di cilindretti cavi formati da nove triplette di microtubuli proteici, paralleli all’asse del cilindro. Entrano solo una volta in funzione, quando la cellula si riproduce durante la mitosi, formando il fuso mito-tico.

I centrioli partecipano direttamente alla formazione di ciglia e flagelli.

Parete cellulare

È una struttura rigida, presente esternamente nelle cellule vegetali. È una parete rigida e impermeabile (fa passare le so-stanze mediante dei buchi chiamati plasmodesmi).

Nelle cellule giovani distinguiamo:

1. Cellulosa

2. Pectina

Nelle cellule adulte

1. Cellulosa

2. Pectina

3. Lignina

4. Suberina

Nucleo

Nucleo e scambi trans-membrana

Il nucleo è un corpuscolo formato da una doppia membrana che prende il nome d'involucro nucleare. Contiene il materiale genetico (DNA). Al microscopio ottico appare separato dal citoplasma mediante una sostanza gelatinosa nella quale è racchiuso, il nucleoplasma o matrice nucleare. Durante la mitosi in tutto il DNA sono dispersi filamenti chiamati cromosomi. Immersa nel nucleoplasma c’è la cromatina associata al nucleolo , formato da DNA; RNA; proteine. Nel nucleolo vengono sintetizzati ribosomi.

Dunque il nucleo regola le attività della cellula ed è un archivio genetico.

Scambi trans-membrana

Il trasporto di sostanze può svolgersi: a) senza dispendio energetico da parte della cellula, dunque si parla di diffusione o trasporto passivo, oppure b) con dispendio energetico, allora si parla di trasporto attivo.

Il primo può avvenire per osmosi o diffusione. Il secondo per endocitosi (fagocitosi; pinocitosi; mediante recettori) o esocitosi.

Trasporto passivo:

Trasporto passivo e attivo

Diffusione

Movimento spontaneo di particelle, in un mezzo fluido (liquido o gas), dalla zona più concentrata a quella più diluita. Avviene secondo il gradiente di concentrazione. La diffusione può essere semplice (le particelle passano attraverso il doppio strato dalla zona più concentrata a quella più diluita, avviene secondo il gradiente di concentrazione). Verso o attraverso proteine canale, in questo caso si parla di diffusione facilitata.

Inoltre fa aumentare l’energia cinetica delle particelle e dipende dalla grandezza delle cellule.

Osmosi

L’acqua e molti soluti possono attraversare la membrana passivamente. Se si mettono a contatto attraverso una mem-brana semipermeabile soluzioni del medesimo soluto, ma a concentrazioni diverse si assiste ad un passaggio di moleco-le di solvente dalla soluzione a concentrazione minore verso quella a concentrazione maggiore. Il fenomeno è noto col termine di osmosi . Il liquido intracellulare, come quello extracellulare è una soluzione compostata da un solvente (ac-qua) e da soluti (Sali e molecole organiche) in diverse concentrazioni. Se quindi una cellula viene immersa in una solu-zione a bassa concentrazione (ipotonica) si verifica un ingresso di acqua attraverso la membrana, che porta prima ad un rigonfiamento della cellula (turgore) seguito dalla rottura della membrana (plasmolisi). Viceversa se la membrana viene immersa in una soluzione ad alta concentrazione (ipertonica) tende a ringrinzirsi cedendo molecole di acqua alla soluzione. Occorre dunque immergere la cellula in sostanze isotoniche, che presentino cioè una pressione osmotica equivalente a quella del liquido intracellulare.

Trasporto attivo

Mediante proteine carrier

È una proteina che occupa tutto il doppio strato di fosfolipidi. Aggancia sostanze dall’esterno e le porta all’interno e viceversa (cfr. Pompa Na⁺/ K⁺).

Esocitosi

Trasporto attivo verso l’esterno. Mediante vescicole.

La cellula ingloba sostanze di rifiuto nelle vescicole. Queste vengono trasportate fino alla membrana cellulare , quando arrivano alla membrana cellulare , questa si apre mediante trasporto attivo ed espelle la sostanza.

Endocitosi

1. Fagocitosi. La cellula per inglobare sostanze solide emette degli pseudopodi, la membrana si apre e la sostanza viene inglobata

2. Pinocitosi. Per inglobare sostanze liquide, la membrana forma una rientranza, dove si accumula la sostanza, la membrana si chiude e la sostanza viene inglobata.

3. Tramite recettori di membrana. La membrana s’introflette e vengono inglobate le sostanze in una vescicola che viene introdotta all’interno.

Pompa Na⁺/ K⁺

La membrana cellulare presenta all’esterno ioni Na⁺, ioni K⁺ e anioni. Gli ioni Na⁺ sono quattordici volte di più all’esterno rispetto all’interno. Gli ioni K⁺ sono trenata volte di più all’interno rispetto all’esterno. Ioni negativi sono più all’interno che all’esterno, confrontando le cariche all’interno sono più le cariche negative che positive, viceversa per l’esterno. La membrana presenta una differenza di potenziale che è uguale a -70 mV (potenziale di membrana). Sulla membrana abbiamo proteine canale. Proteine per il Na⁺ e proteine per il K⁺. e proteine girevoli tra cui la pompa Na⁺/ K⁺. Quando arriva un impulso, si aprono i canali per il Na⁺ , che dall’esterno passa all’interno, dunque la membrana che prima era polarizzata si depolarizza, il potenziale di membrana passa a +50 mV. Si chiudono i canali per il sodio e si aprono quelli per il potassio. Il potassio dall’interno passa all’esterno. La membrana dunque negativa , da +50 passa a -90 mV. Finito l’impulso, la pompa Na⁺/ K⁺ ripristina la situazione di partenza. Prende due ioni potassio e li passa esterno, e tre ioni sodio e li passa all’interno. La membrana si polarizza, diventa -70 mV

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Giunzioni cellulari

Giunzioni cellulari e mobilità

Le cellule dei tessuti sono a stretto contatto, sviluppano dunque le cosiddette giunzioni cellulari. Nella cellula vegetale, le giunzioni avvengono mediante i plasmodesmi. In particolare comunicano mediante dei pori che si trovano nella parete cellulare. Le cellule animali comunicano tramite giunzioni strette, punto in cui le membrane sono attaccate, se le giunzioni strette presentano all’interno dei filamenti di ancoraggio, allora si chiamano desmosomi. Se invece le due cel-lule sono una accanto all’altra e comunicano per mezzo di canali, si chiamano giunzioni canale o comunicanti.

Mobilità cellulare

Il movimento può essere ameboide (o per vibrazioni) o mediante ciglia e flagelli. Altri tipi cellulari invece (quali le cellule epiteliali) emettono estroflessioni citoplasmatiche, gli pseudopodi.

Ciglia e flagelli

Ciglia, flagelli e differenze cellulari

Sono estroflessioni della membrana per svolgere attività meccaniche di locomozione. Le ciglia sono piccole estrofles-sioni della membrana e si trovano in gran numero, al contrario è per i flagelli Sono molto simili tra loro.

Internamente presentano:

1. Guaina

2. Nove coppie di microtubuli legati da ponti proteici.

3. Una coppia centrale di microtubuli circondata da una guaina elicoidale.

Contengono una porzione libera il corpo basale, il punto dove il ciglio o il flagello è legato alla membrana. Il corpo ba-sale è un cilindretto formato da nove triplette di microtubuli proteici paralleli all’asse del cilindro. Nelle cellule pluri-cellulari l’unico flagello è lo spermatozoo, tutte le altre presentano ciglia.

Differenze tra la cellula animale e quella vegetale

1. Le cellule vegetali presentano la parete cellulare

2. Le cellule vegetali hanno i cloroplasti

3. Le cellule vegetali hanno le vescicole, quelle animali i vacuoli

4. Le cellule animali hanno i lisosomi