Esplorando le cellule: dimensioni, struttura e microscopi

Dimensioni e limiti delle cellule

Nel 1665 Robert Hooke stimò che il diametro di una cellula varia da 1 a 100 µm e il volume varia da 1 µm2 a 1000 µm2.

La dimensione delle cellule è limitata dal rapporto tra superficie e volume. Il volume determina la quantità di attività chimica svolta dalla cellula nell’unità tempo, mentre la superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’esterno. Il rapporto superficie/volume di un oggetto cambia se questo aumenta le sue dimensioni: al crescere delle dimensioni di un oggetto, infatti, il suo volume aumenta più rapidamente della sua superficie. Se una cellula vivente cresce e diventa più grande, la sua attività chimica aumenta più velocemente della sua superficie. Le cellule devono distribuire le sostanze da un punto all’altro, ciò avviene più facilmente se la cellula è piccola.

Le dimensioni ridotte delle cellule dipendono dalla necessità di mantenere un adeguato rapporto tra s/v.

Microscopi e risoluzione

Il più piccolo oggetto che normalmente un essere umano riesce a distinguere misura circa 0,2 mm.

La distanza che deve separare due oggetti affinché l’occhio li percepisca come oggetti distinti prende il nome di risoluzione. I microscopi accrescono il potere di risoluzione dei nostri occhi in modo tale che riusciamo a osservare le cellule e le loro strutture interne.

Microscopio ottico e microscopio elettronico

1. Microscopio ottico: forma immagini ingrandite degli oggetti utilizzando lenti di vetro e sfruttando le lunghezze d’onda della luce. Noi non riusciamo a vedere tutto col microscopio ottico. Potere di risoluzione 1000 volte superiore all’occhio umano. Le strutture interne della cellula sono difficili da distinguere per questo subiscono un trattamento chimico che ne colora i componenti con tinte diverse per far risaltare certe strutture.
2. Microscopio elettronico: usa degli elettromagneti per mettere a fuoco un fascio di elettroni. Dato che gli elettroni sono invisibili, per creare un’immagine visibile il microscopio elettronico li dirige su uno schermo fluorescente o su una pellicola fotografica. Potere di risoluzione un milione di volte superiore all’occhio umano. I microscopi rivelano le caratteristiche delle cellule che non possiamo osservare a occhio nudo.

Caratteristiche delle cellule e dei virus

Cellula: la più piccola struttura in grado di mantenere la vita. È l’unità elementare della vita.

Virus: esseri viventi senza forma cellulare. Ecco le loro caratteristiche:

• hanno il materiale genetico (DNA o RNA)
• una capsula che li avvolge
• sono parassiti obbligati (per vivere devono sfruttare le cellule degli altri organismi)
• quando il virus è dentro una cellula siamo in grado di intervenire e di studiarlo
• quando sono fuori non danno nessun segno di vita, quindi non si può dire che siano degli esseri viventi
• sono tra essere viventi e sostanze.
• per essere infettante un virus deve essere dentro una cellula
• carica infettante: quanti virus sono presenti in un determinato campione.

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Struttura delle cellule procariote

- Organismi più numerosi della terra

- Più piccola

- Struttura più semplice

- Delimitate da una membrana plasmatica: composta da un doppio strato di molecole fosfolipidi, permette di mantenere costanti le caratteristiche chimico-fisiche del loro ambiente interno e agisce da barriera semipermeabile.

- All’interno della membrana si trova il citoplasma: materiale semifluido in cui avvengono tutte le reazioni cellulari. È composto da due parti: il citosol, che è la parte più fluida e il nucleoide, contiene il DNA. Le molecole sono in costante movimento.

- Nel citoplasma sono presenti i ribosomi: aggregati di RNA e proteine, sono le strutture dove ha luogo la sintesi proteica cioè dove le informazioni provenienti dal DNA sono usate per assemblare gli amminoacidi e formare polipeptidi.

- Non ha il nucleo

Le cellule procariote possiedono una struttura di base comune: una membrana che racchiude il citoplasma, all’interno del quale si trova il nucleoide.

Struttura delle cellule eucariotiche

- Tipiche di vegetali, protisti, funghi e animali

- 10 volte più grandi di quelle procariote

- C’è una membrana che avvolge costituita da fosfolipidi e proteine. (tiene separate le biomolecole dell’organulo dalle altre molecole presenti nella cellula, impedendo che reagiscano impropriamente tra loro; regola gli scambi lasciando entrare nell’organulo le materie prime e liberando i prodotti direttamente nel citoplasma che si dirigono verso la destinazione specifica)

- Nucleo che contiene gran parte del materiale genetico, dove hanno luogo la duplicazione del DNA

- Caratterizzate dalla presenza di compartimenti interni delimitati da membrane, gli organuli, nei quali sono contenuti specifici enzimi. Gli organuli si possono studiare dopo averli isolati grazie a un processo chiamato frazionamento cellulare che li separa in base alla densità.

- Dentro il materiale cellulare ci sono anche i cloroplasti che contengono la clorofilla per la fotosintesi clorofilliana.

- Presenti anche il reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri e vacuoli

- Leucoplasti, costituiti da amido (è uno zucchero, polisaccaride)

- funzione di immagazzinare energia

- Cromoplasti, contengono dei coloranti (nel caso dei pomodori pigmenti rossi chiamati antociani) a seconda dell’organismo prendono nomi diversi.

- Cipolla: cellule strettamente avvicinate, perché hanno una funzione di protezione per impedire a qualsiasi agente patogeno di entrare

- Corpiccioli tipici delle cellule vegetali

- Forma, disposizione, spessore della membrana e la disposizione degli organuli interni visibili ciò che possiamo vedere noi col microscopio.

Nelle cellule eucariotiche sono presenti compartimenti interni delimitati da membrane chiamati organuli, ognuno dei quali svolge una funzione specifica.

- Forma più tondeggiante rispetto a quelle vegetali tranne quelle che servono per ricoprire gli organismi

- Per ricoprire gli organismi le cellule devono essere riavvicinate tra di loro

- Le nostre cellule che abbiamo osservato al microscopio erano in superficie, quindi attaccate, ma noi le abbiamo separate.

- Nelle cellule della cipolla il bordo era più spesso e si vedeva quasi doppio. Nelle cellule animali il bordo è più sottile

- Nucleo centrale uno per ogni cellula

- Membrana flessibile

- Hanno la parete cellulare (fatta dalla cellulosa che è uno zucchero ed ha funzione strutturale): osservando le cellule di cipolla al microscopio vediamo uno strato spesso, che con un grande ingrandimento sembra essere doppio.

- La parete cellulare protegge dalle infezioni e mantiene la forma della pianta, è attraversata da canali detti plasmodesmi

- Membrana cellulare e intorno la parete cellulare

- Il nucleo si trova a un lato della cellula (è più spostato perché è presente il vacuolo), vediamo un corpicciolo che è biancastro (quindi non si colora con il colorante usato). La parte che non si colora è il vacuolo perché è ricca di acqua e sali minerali.

- Vacuolo: contenitore di acqua e Sali minerali, si gonfia (cellule non al centro) o si sgonfia a seconda della quantità di acqua

- Forma più regolare, geometrica

- Plastidi classificati in tre tipi (cloroplasti, cromoplasti, leucoplasti)

- Organelli mitocondri (utilizzano lo zucchero, e li scompongono e ne estraggono l’energia)

Funzioni del nucleo cellulare

- La molecola che fornisce alla cellula le informazioni necessarie per svilupparsi e duplicarsi.

- Contiene il DNA.

- Informazioni sono immagazzinate nella sequenza nucleotidica delle molecole di DNA, tale sequenza viene tradotta in una catena polipeptidica a livello dei ribosomi, che si trovano nel citoplasma.

- Funzioni: luogo in cui avviene la duplicazione del DNA; la sede del controllo genetico dell’ attività cellulare

- È la struttura che organizza tutte le attività vitali.

- Ha un limite.

- Struttura 3dimensionale.

- Contiene una zona il nucleolo, dove ha inizio il montaggio dei ribosomi a partire dall’ RNA e da specifiche proteine.

- la parte più scura: nucleico (addensamento fatto da un altro acido nucleico, RNA)

- intorno al nucleo: membrana nucleare, consente di differenziare i procarioti dagli eucarioti. Non può essere rigido (è flessibile) e deve lasciare comunicazione tra il nucleo e il resto della cellula. La membrana è doppia, e ci sono dei fori (fori nucleari).

- Pori nucleari (sulla membrana) che consentono il passaggio delle sostanze. Comunicazione tra il nucleo e il citoplasma (materiale fluido che contiene diverse sostanze chimiche importanti per la vita della cellula). Qui gli ioni e le molecole più piccole possono transitare liberamente.

- Dentro può essere più o meno granuloso: cromatina, (i cromosomi sono fatti di cromatina): è il DNA distribuito in maniera più o meno impacchettata (una scala a volta d’elica). Può essere o più chiara o più scura.

- Poco prima della divisione cellulare la cromatina si addensa in strutture compatte e facilmente visibili detti cromosomi.

- Globulo rossi o eritrociti. Nascono nel midollo osseo. Prima di maturare in modo completo eliminano il nucleo, difatti hanno una forma a disco biconcavo appunto perché non hanno il nucleo.

- All’interno può esserci una macchietta più densa

- Accanto al nucleo c’è una cosa rossa: serie di sacchetti fatti da membrane messi uno sull’altro

Il nucleo contiene il DNA, la molecola che conserva le informazioni genetiche della cellula. È circondato da una doppia membrana interrotta da pori che permettono il passaggio di varie molecole

Ribosomi e sintesi proteica

- Nelle cellule procariote si trovano sempre liberi nel citoplasma

- Nelle cellule eucariote possono trovarsi in diverse posizioni o liberi o sulla superficie del reticolo o dentro mitocondri o cloroplasti

- Sono composti da due subunità di dimensioni diverse

- Quelli eucariotici sono più grandi e più ricchi di RNA (composti da un tipo speciale detto RNA ribosomiale, rRNA) di quelli procariotici

- Vengono assemblate nel nucleo e passano nel citoplasma attraverso i pori nucleari

- Hanno il compito di sintetizzare le proteine in base alle informazioni codificate nel DNA: questo processo si chiama traduzione

I ribosomi sono le strutture dove vengono sintetizzate le proteine secondo le direttive degli acidi nucleici

Reticolo endoplasmatico e sue funzioni

Tutta la struttura insieme si chiama reticolo endoplasmatico (quanto più una struttura è sviluppata tanto più organelli ci sono tanto più sarà complessa)

- La parte membranosa è sormontata da una serie di sferette che sono degli organelli particolari, i ribosomi (fatti da RNA e in parte da proteine, servono nella sintesi delle proteine, una volta che le proteine vengono formate vanno nel reticolo endoplasmatico), per la presenza di ribosomi che sono ruvidi; reticolo endoplasmatico ruvido

- Tiene separate dal citoplasma le proteine appena sintetizzate e le modifica dal punto di vista chimico.

Reticolo endoplasmatico liscio: privo di ribosomi.

- Struttura più tubolare del RER con il quale comunica

- Funzione di contenimento dei lipidi (grassi), sede della sintesi dei lipidi (comprende gli acidi grassi, i fosfolipidi e gli steroidi)

- Funzione di magazzino e di accumulamento degli ioni calcio. Le proteine vengono costruite sulla base di una sequenza che è stabilito dal DNA

- Responsabile della trasformazione chimica di sostanze tossiche, farmaci e pesticidi (degrada sostanze tossiche)

- Nelle cellule animali, è la sede in cui avviene l’idrolisi del glicogeno per produrre glucosio (idrolizza il glicogeno)

Membrana interne ed esterno: simili

Le membrane della cellula sono fatte allo stesso modo

Apparato di Golgi e vescicole

Apparato di Golgi

- forma arcuata

- appare come un insieme di sacchetti impilati gli uni sugli altri e di piccole vescicole circondate da una membrana, i sacchetti non sono in comunicazione tra loro

- si dilatano e ci sono delle bolle

- presenza del reticolo endoplasmatico

- Funzioni:

- riceve proteine dal RER e le elabora ulteriormente

- sede i cui avvengono delle operazioni di tipo chimico

- concentra, confeziona e smista le proteine prima che vengano inviate alle loro destinazioni finali, dentro o fuori la cellula

- sintetizza i polisaccaridi per la parete delle cellule vegetali.

- vescicola: contiene proteine

- nel citoplasma viene a incontrare l’apparato di Golgi; vescicole nell’apparato di Golgi

- lato di ingresso: giungono le vescicole; modifica chimicamente; passano da un sacchetto all’altro, dentro a vescicole di trasporto; lato di uscita, prodotti finiti, serve da deposito; si spostano verso la membrana plasmatica per essere espulsi

- come entrano possono uscire le vescicole (conterranno materiale che è stato ripreparato); enzimi litici  funzione di degradare le sostanze

- fagosoma si fonde con una vescicola che contiene enzimi e quindi si chiamerà

- perossisomi contengono la catalasi (enzima)

- uno dei compiti delle vescicole è quello di legarsi alla membrana esterna per liberare ormoni o anticorpi, ci può anche essere la distribuzione di sostanze che servono per il nutrimento che sono gli enzimi litici (vuol dire che rompono le molecole e quindi hanno funzione digestiva).

- Le vescicole si fondono perché le membrane interne sono tutte fatte allo stesso modo.

- un altro componente del sistema di membrane

- sono vescicole circondati da una singola membrana e contenenti enzimi digestivi.

- La formazione avviene ad opera del RE (assembla gli enzimi e le membrane), quindi l’apparato di Golgi rifinisce gli enzimi dal punto di vista chimico e libera i lisosomi completati.

- Importante caratteristica strutturale degli eucarioti: la suddivisione in compartimenti; la membrana lisosomiale racchiude uno specifico compartimento in cui gli enzimi digestivi vengono mantenuti isolati dal resto del citoplasma

Nei perossisomi si accumulano e vengono inattivati alcuni composti tossici che si formano come sottoprodotti del metabolismo cellulare. I vacuoli si trovano nelle cellule vegetali e hanno funzione di deposito, strutturale o digestiva.

Mitocondrio

- corpicciolo molto piccolo

- si vede solo col microscopio elettronico

- contiene il reticolo endoplasmatico ruvido

- citoplasma pieno di ribosomi

- attività di produzione delle proteine

- due membrane (come il nucleo); quella esterna è continua quella interna che forma le creste mitocondriali, quella interna è più estesa perché è ripiegata a formare le creste.

- Nella membrana interna: ancora granulosa si chiama matrice mitocondriale

- Dentro alla matrice hanno scoperto che c’è una molecola del DNA

- Forse anche il mitocondrio avrebbe potuto essere una cellula procariote però c’è una doppia membrana. Cosa è successo? È stata inglobata in una cellula più grande eucariote. Se una cellula ingloba un'altra cellula si dovrebbe distruggersi, perché? Perché c’è un rapporto di simbiosi: mitocondrio produce energia e in cambio ha protezione e nutrimento (teoria dell’endosimbiosi)

- Centrale energetica della cellula (si ha tutta la trasformazione dell’energia che è poi sfruttata dalla cellula)

- ATP: prodotto sulle creste.

- Più una cellula ha funzioni energetiche tanto più ci sono le creste

- Ovviamente ce ne sono di più in una cellula muscolare rispetto che a una della cute

- Tilacoidi che contengono la clorofilla. Serve alla fotosintesi clorofilliana, otteniamo oltre che acqua Sali minerali energia solare e anidride carbonica si ottiene zucchero e ossigeno.

- Anche i cloroplasti contengono una cellula di DNA; anche il cloroplasto era una piccola cellula procariote inglobata da una cellula eucariote più grande e ha trovato un vantaggio: è diventato autotrofo. L’altra protezione.

Teoria dell’endosimbiosi di Linn Marguils che, osservando il fatto che questi organelli avessero una doppia membrana e una molecola d DNA ha pensato che in un passato lontano queste cellule fossero state inglobate in una cellula più grande: le cellule inglobate non sono state distrutte ma hanno creato un rapporto di simbiosi

- Sono presenti solo nelle cellule vegetali e hanno una funzione autotrofa. Utilizzano le strutture perché gli elementi (acqua, Sali energia e anidride) vengono montate insieme a formare le molecole di zucchero

- Come prodotto di scarto liberano l’ossigeno importante per noi che siamo aerobi. Rende la cellula con i cloroplasti libera dall’ambiente

- Cromoplasti e leucoplasti

Suddivisione che dipende dalle dimensioni:

Microfilamenti:

- Fatti da una proteina di nome actina (elastica flessibile), insieme alla miosina (mio -- muscolo) costituiscono una struttura che ha la capacità di far contrarre e rilasciare i muscoli.

- Contribuiscono a mantenere la forma della cellula

- Sono responsabili del movimento

Filamenti intermedi:

- Diametro più grande

- Tendono a essere più fibrosi, meno elastico che serve a tenere stabile la struttura

- Costituiti da proteine fibrose che rafforzano la struttura della cellula e oppongono resistenza alla tensione

Microtubuli:

- Sono dei tubicini che hanno una struttura esterno fatta da una proteina che si chiama tubulina e che costituisce questa sorta di microtubulo (funzionano da binari lungo i quali le proteine motrici possono spostare organuli)

- Proteina forma sferica accanto all’altra a costituire lunghi cilindri

- Sono molto importanti quando la cellula si divide, struttura di appoggio aggancio e movimento ai cromosomi

Movimento cellulare:

- Solo cellula animale

- Avviene grazie al movimento di

- Corte e numerose e avvolgono tutta la cellula

- Funzione di movimento solo nelle cellule unicellulari

- Coppie di microtubuli

- Esempio di cellule cigliate tappezzano l’apparato circolatorio, funzione di purificare l’aria (nel naso), ciglia vibrano quando ci va di traverso il cibo

- Lunghi e numerosi

- Servono al movimento

- Testa che contiene il nucleo

- Il “collo” è pieno di mitocondri  deve dare energia allo spermatozoo per raggiungere la cellula uovo (numero di organelli presenti dipende dalla funzione che deve svolgere la cellula)

- Coppie di microtubuli

Le cellule che non hanno né ciglia né flagelli; emissione di flussi citoplasmatici che vengono chiamati  pseudopodi. Esempio ameba, movimento ameboide

Il materiale cellulare è contenuto nella cellula ma di base c’è una struttura fluida che si chiama citoplasma che è composto da acqua e altre sostanze chimica. Sostanze che servono alla vita della cellula. Mentre in quella vegetale la parete ha una funzione di sostegno in quella animale sono presenti dei filamenti che hanno forma e dimensione diverse. Questi filamenti si intrecciano a formare una struttura che nel suo complesso prende il nome di citoscheletro (struttura portante interna alla cellula) solo nella animale.