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Il microscopio

Il microscopio è uno strumento che permette di ingrandire l’immagine di oggetti piccolissimi.

Il potere ottico (o risoluzione) è la distanza minima al di sotto della quale non si distinguono più 2 punti separati (distanza minima tra due punti affinché vengano percepiti come separati).

Ci sono 3 tipi di microscopi:

• Microscopio ottico: risoluzione 200 nm (fino a 0.2 micron) - per nucleo, mitocondri, cromosomi in metafase (1400– (lunghezza d’onda dello spettro della luce visibile) nm) al massimo: cromosomi e batteri. Usa come sorgente la luce.
• Microscopio elettronico a trasmissione: risoluzione 0,2 nm per membrane e organuli, fino ai batteri e virus. Usa come sorgente un fascio doppio di elettroni.
• Microscopio elettronico a scansione: risoluzione 10 nm - permette di avere immagini 3D. Utilizza come sorgente fenomeni molecolari e atomici.

La vite macrometrica permette di allontanare o avvicinare il portalenti.

9 Gm gigametro 10 m

La vite micrometrica permette la messa a fuoco.

6 Mm megametro 10 m
3 Km kilometro 10 m

Risoluzioni da ricordare

2 hm ettometro 10 m

Occhio umano: 1/10 di millimetro

1 dam decametro 10 m

Cellula procariote: 0,5 µm 5 µm (0.25/4 µm)

0 m metro 10 m

Cellula eucariote: 10 µm 100 µm

- -1 dm decimetro 10 m

Mitocondrio: 0,5 µm 3 µm

- -2 cm centimetro 10 m

Cromosoma metafasico: 1400 nm

-3 mm millimetro 10 m

Membrana plasmatica: 7-9 nm / 5-8 nm µm micrometro -6 10 m

-9 nm nanometro 10 m

In ordine di grandezza dal più piccolo al più grande: -10 Å angstrom 10 m mitocondrio-cromosoma-nucleo-cellula

-12 pm picometro 10 m

Tipi di microscopi ottici

Distinguiamo anche 4 tipi di microscopi ottici:

• In campo chiaro: La luce attraversa direttamente la cellula, c’è poco contrasto.
• A contrasto di fase: Si aumenta la differenza dell’indice di refrazione, dunque si devia maggiormente la luce e si ha una maggior percezione di contrasto.
• A fluorescenza: Si utilizza del colorante, che si lega alla struttura osservata. Analizzeremo così la luce eccitante e visualizzeremo la struttura fluorescente.
• Confocale: Si utilizza del colorante, studiando stavolta però la luce emessa oltre a quella eccitante. Visualizzeremo la struttura colorata, con un’immagine bidimensionale.

La cellula

Le cellule sono degli organismi. Esse sono minuscole, dall’1-1000 µm, perché ciò permette un maggior numero di scambi, di attività cellulari, di captazioni veloci di segnali e interazioni con altre cellule, quindi la resa dell’organismo.

Ne deduciamo, così, che gli animali più grossi non hanno cellule più grandi ma solo un numero più grande di cellule.

• Studi di Hooke (1665): È il primo ad osservare la cellula, e il termine "cellula" (piccola cella) fu da lui coniato. Osservando al microscopio il sambuco, identificò piccole strutture distinte e vuote (celle), non aveva però descritto né nucleo né organuli cellulari.
• Studi di Leewwenhoek (1674): Prima osservazione di una cellula viva.
• Teoria cellulare di Scheliden e Schwann (1838-1839): Identificarono nella cellula l'unità presente in tutti gli esseri viventi, piante (Schleiden) o animali (Schwann).
• Teoria di Virchow (1858) e Pasteur: Conclusero che ogni cellula nasce da un'altra cellula preesistente ("Omniscellula e cellula").

Teoria cellulare

• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule.
• La cellula è l’unità morfologica e fisiologica fondamentale.
• Non c’è generazione spontanea: ogni cellula deriva da un’altra preesistente.

Cellule procariote

• Dimensioni: 0.25-4 / 0.5-5 µm.
• Sono unicellulari.
• Non sono compartimentalizzate: non hanno organuli, non hanno nucleo, non hanno citoscheletro.
• Procarioti sono gli eubatteri e archeobatteri (Regno delle Monere).
• Riproduzione per via asessuata: scissione binaria (ogni 20 min), o gemmazione.

Componenti di una cellula procariote

Parete cellulare

Localizzata all’esterno della membrana, conferisce rigidità ed è formata da peptidoglicano (o mureina), un polimero di amminozuccheri (+ corti polipeptidi) uniti covalentemente.

A seconda della costituzione della parete, che viene evidenziata con la colorazione di Gram, distinguiamo:

• Batteri Gram+: Sono muniti di parete cellulare molto spessa e ricca di peptidoglicano (90%). Risultano viola nella colorazione di Gram. Sono meno dannosi (streptococchi, stafilococchi, gli pneumococchi, etc.). La penicillina (antibiotico) risulta efficace contro i Gram+ perché rende più fragili le pareti e porta alla lisi della cellula.
• Batteri Gram-: Hanno parete cellulare più sottile e contenente solo il 15/20% di peptidoglicano. Risultano rosa/rossi dopo colorazione. Sono più rare ma più dannose (pseudomonas aeruginosa, etc.).

Spesso (non sempre) esternamente a quest’ultima vi è un ulteriore strato viscido di muco polisaccaridico, detto capside. Esso conferisce protezione dall’attacco del sistema immunitario, impedisce la disidratazione e permette l’adesione ad altre cellule.

Membrana cellulare

Doppio strato fosfolipidico, simil-eucariotico. Importante per regolare il traffico di materiale tra ext e int della cellula.

Quest’ultima può spesso ripiegarsi: i mesosomi sono invaginazioni della membrana plasmatica importanti perché contengono enzimi respiratori e fotosintetici, partecipano alla divisione cellulare (tengono legato il cromosoma batterico), partecipano alla formazione dell’endospora.

Citoplasma

È composto da citosol (acqua, ioni e piccole molecole) e particelle insolubili.

Liberi nel citoplasma troviamo i ribosomi 70S (complessi di RNA e proteine importanti per la sintesi proteica). Sono costituiti da 2 subunità: maggiore 50S (34 proteine + 2 RNA: 23S-5S) e minore 30S (21 proteine + 1 RNA: 16S).

La sintesi dell’RNA avviene nel citoplasma, la sintesi delle proteine (sintesi proteica) nei ribosomi.

Nucleoide

Zona centrale del citoplasma dove è situato il materiale genetico della cellula, nel dettaglio una singola molecola di DNA circolare a doppia elica.

Possono essere presenti anche piccole molecole di DNA che si replicano autonomamente, situati nel citoplasma e più piccoli del DNA batterico: sono chiamati plasmidi.

Flagelli batterici e pili

I flagelli sono formati da flagellina (diversamente da quelli eucarioti che sono fatti di microtubuli) e sono coinvolti nel movimento, che risulta essere di tipo rotatorio.

I pili sono più corti e si occupano dello scambio di materiale genetico (processo di coniugazione).

Differenze cellule procariote in archebatteri e eubatteri

Gli archeobatteri:

• Non hanno peptidoglicano nella parete.
• Hanno la membrana fosfolipidica diversa da eubatteri, infatti non ci sono acidi grassi (ma catene isopreniche).
• Hanno RNA e proteine più simili agli eucarioti.
• Hanno gli introni (tratti non codificanti di DNA), come negli eucarioti.

In generale il DNA è circolare in batteri, mitocondri e cloroplasti e lineare negli eucarioti.

Differenze cellule procariote e eucariote

• Gli eucarioti sono più grandi (10-100 µm).
• Gli eucarioti hanno un nucleo (+ nucleolo).
• Gli eucarioti sono compartimentalizzati e hanno organuli.
• Gli eucarioti hanno citoscheletro.
• Gli eucarioti non hanno mesosomi, pili, plasmidi, capsula (ma matrice extracellulare).
• Gli eucarioti non hanno flagelli di flagellina (ma di microtubuli).
• Gli eucarioti animali non hanno parete cellulare (i vegetali sì).

Cellule eucariote

• Dimensioni: 10-100 µm, dimensioni circa da 10 a 100 volte maggiori rispetto alle cellule procariote.
• Sono unicellulari (es. protisti) e pluricellulari (es. piante, funghi, animali).
• Sono delle centrali elettriche che, come i procarioti, posseggono una membrana, il citoplasma e i ribosomi. A differenza di questi, però, posseggono degli organelli come il nucleo, i mitocondri, i reticoli endoplasmatici, l’apparato di Golgi, i lisosomi, i vacuoli e i plastidi.

Gli organelli cellulari

Il nucleo

Il nucleo è l’organello di dimensioni più grandi (5 µm).

Di solito ne troviamo 1 per ogni cellula, ma esistono anche cellule plurinucleate (es. cellule del muscolo scheletrico).

È circondato da due membrane fosfolipidiche (separate dallo spazio perinucleare), che insieme formano l’involucro nucleare (o carioteca). Sulla membrana esterna sono situati ribosomi 80S.

Le membrane sono attraversate da pori nucleari (complessi proteici a 8 proteine globulari), ossia canali di passaggio per il traffico di proteine tra nucleo e citoplasma (attraverso questi pori passano, per esempio, i tre tipi di RNA), attuando un leggero processo di selezione grazie alla proteina importina.

All’interno del nucleo vengono sintetizzati gli rRNA (anche tRNA) e assemblate le subunità dei ribosomi (in realtà tRNA e rRNA si associano con le proteine, ma le subunità si uniscono solo nel citoplasma). Avviene anche la duplicazione del DNA.

Il nucleo contiene il materiale genetico, posizionato nel nucleolo. Qui vi è situato il DNA associato ad istoni (ottamero istonico), proteine basiche (con residui di lisina e arginina).

Conosciamo 5 tipi di prot. istoniche: H1 (mantiene uniti istoni), H2A-H2B-H3-H4 (che sono associate al DNA). H1 non è avvolto dal DNA ma si trova all’esterno.

L’insieme del DNA con l’ottamero istonico (8 istoni) prende il nome di nucleosoma (10 nm). Dunque 8 istoni + 146 coppie di nucleotidi.

Questa associazione forma un complesso fibroso detto cromatina che, prima della divisione cellulare, si aggrega formando i cromosomi. Nella cromatina troviamo DNA, RNA (poco), proteine basiche (istoni), acide e neutre (meno).

Distinguiamo:

• Eucromatina: Forma attiva. È di colore chiaro ed è posta internamente. È meno compatta. Contiene DNA che verrà trascritto a mRNA.
• Eterocromatina: Forma inattiva. È di colore scuro ed è posta esternamente. È più compatta. Contiene geni che non verranno trascritti. (Es. Corpo di Barr: eterocromatina cromosoma X inattivato nella donna).

La cromatina è circondata dal nucleoplasma, una soluzione di acqua e sostanze disciolte, dove all’interno vi è una rete proteica, detta matrice nucleare, che si occupa di organizzare la cromatina. In periferia, la cromatina è attaccata ad una rete di proteine, detta lamina nucleare (fatta di filamenti intermedi di 8-12 nm), che permette il mantenimento della forma tondeggiante del nucleo e fa sostegno per i telomeri durante la meiosi.

I ribosomi

I ribosomi hanno dimensione di circa 20 nm.

Sono privi di membrana.

Si trovano sia negli eucarioti che nei procarioti.

Sono formati da due subunità di dimensioni diverse, fatte da RNA-ribosomiale e molecole proteiche. Negli eucarioti:

• Subunità minore: 40S con 1 RNA (18S) + 33 proteine.
• Subunità maggiore: 60S con 3 RNA (28S, 5.8S, 5S) + 45 proteine.

(S: Unità di misura del coefficiente di sedimentazione “Svedberg”, che equivale a 10^-13 secondi.)

Sono importanti perché sono i siti di sintesi delle proteine (solitamente destinate al citosol), leggono le informazioni provenienti dal m-RNA. Nei procarioti si trovano solo galleggianti nel nucleo. Negli eucarioti possono essere nel citoplasma, attaccati al reticolo endoplasmatico rugoso (RER), sulla membrana nucleare, nei mitocondri o nei cloroplasti.

Nelle cellule eucariotiche la maggior parte del volume cellulare è occupata da un sistema endomembranoso (insieme delle membrane di tutti gli organelli) che comprende due componenti principali: il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi. Questo sistema sembra essere in comunicazione attraverso vescicole.

Il reticolo endoplasmatico

È formato da una serie di membrane interconnesse, dove lo spazio interno ad esse è detto lume. Distinguiamo:

• Rugoso (RER o REG): Presenta ribosomi (80S). Si occupa della sintesi delle proteine (destinate ad essere esportate o destinate ad altri organelli), e successivamente della modificazione di quest’ultime (es. aggiunta di zuccheri, glicosilazione o idrossilazione), poi rimodificate a livello dell’apparato di Golgi. Il RER si occupa anche dell’assemblaggio di proteine multimeriche (come l’emoglobina) e nel ripiegamento delle proteine (per la formazione di ponti disolfuro e ripiegamenti di strutture terziarie).
• Liscio: Non ci sono ribosomi, ma è in connessione col RER. La sua funzione principale è la sintesi dei lipidi (lipidi di membrana, ormoni steroidei). Si occupa anche del metabolismo del glucosio (glicogenolisi: sintesi glucosio), di detossificazione (detossificare farmaci e sostanze estranee), di fungere da deposito e rilascio di ioni calcio (importante per la comunicazione cellulare e per la contrazione muscolare).

L’apparato di Golgi

È un sistema di endomembrane formato da sacchetti appiattiti uno sull’altro, chiamati cisterne (+ vescicole e sacculi).

Esso è in comunicazione col RER: la zona diretta verso il RER si chiama cis-golgi, mentre la parte rivolta verso la membrana è detta trans-golgi. C’è anche una zona centrale detta mediale.

Le funzioni principali di questo sistema sono quelle di modificare le proteine che derivano dal RER (porzioni hanno enzimi specifici per la reazione che si svolge lì). Dopo la modificazione, si occupa anche dello smistamento delle proteine e dei lipidi, che avviene in base a segnali che forniscono l’indirizzo del compartimento destinatario.

In dettaglio: si formano vescicole di transizione che inglobano le proteine del RER, arrivano al versante cis (dove subiscono variazioni), poi al versante trans, e infine vengono riversate nel citoplasma. Tali proteine verranno avvolte da ulteriori vescicole secretorie (alle quali possono essere legati anche dei lisosomi che possono attivare la proteina riversando su essa alcuni enzimi) e per esocitosi saranno fatte uscire nello spazio extracellulare, mentre la membrana della vescicola diventa parte della membrana plasmatica.

I lisosomi

Hanno dimensioni di 0.1-1 µm e hanno una singola membrana.

Si formano a partire da vescicole idrolasi che si staccano dal Golgi. I lisosomi sono ricchi di enzimi litici (idrolasi acide), che permettono all’organello di adempiere a funzioni digestive (idrolisi - fagocitosi).

• Eterofagia: Scissione del materiale che arriva nella cellula.
• Autofagia: Eliminazione organuli vecchi o danneggiati.

Funzionano a pH acido (è importante che il pH sia acido perché sennò questi enzimi demolirebbero tutti i contenuti cellulari): valore di circa 5.

In dettaglio: il materiale entra per fagocitosi, in seguito alla quale si forma una piccola vescicola. Questa si sposta nel citoplasma, diventando fagosoma. Poi si fonde con un lisosoma primario (lisosoma + enzimi litici), diventando lisosoma secondario, del quale avviene la digestione.

Le cellule vegetali non hanno lisosomi ma hanno un vacuolo centrale che svolge funzioni analoghe.

Un tipo di lisosoma è il proteasoma, che demolisce le proteine.

Li ritroviamo in osteoclasti, spermatozoi e impianto blastocisti.

I mitocondri

Hanno dimensioni 0.5-3 µm e hanno una doppia membrana.

I ribosomi hanno la funzione di convertire energia chimica in ATP. Questo processo prende il nome di respirazione cellulare. Può essere coinvolto nei processi di apoptosi. Si divide per scissione binaria.

I mitocondri sono formati da due membrane, separate da uno spazio intermembrana:

• Membrana esterna: Più permeabile. Liscia e con poca resistenza al passaggio di sostanze (le porine la rendono più permeabile). Ha funzione protettiva.
• Membrana interna: Meno permeabile. Non liscia, infatti si ripiega formando delle creste. Essa è impermeabile alla maggior parte delle molecole, infatti presenta 70% di proteine deputati al controllo di ciò che entra ed esce.

Lo spazio interno alle membrane è detto matrice mitocondriale, dove vi sono immersi enzimi e ribosomi 70S (i ribosomi sintetizzano proteine codificate dal genoma mitocondriale).

Ogni mitocondrio è, inoltre, dotato di un proprio DNA circolare a doppia elica, trasmissibile solo per via materna e che produce le proprie proteine e il proprio RNA. I mitocondri sono dunque “organuli semiautonomi”: da qui la teoria dell’endosimbiosi secondo la quale la cellula eucariote si è formata dall’unione di batteri simbioti (cellule semplici) aerobi.

I mitocondri sono inoltre in grado di dividersi autonomamente per scissione.

I perossisomi

Sono organelli di dimensioni di 0.2-1.7 µm.

Hanno una singola membrana e sono tipi di microsomi, ossia artefatti cellulari vescicolari che derivano dalla frammentazione del RE (in questo caso REL). Sono formati da una matrice granulare e da un core paracristalloide.

Sono ricchi di enzimi per la scissione degli acidi grassi con produzione di ATP (β-ossidazione acidi grassi). Altri enzimi sono le ossalasi, che fanno trasferire idrogeno all’acqua formando perossido di idrogeno (acqua ossigenata H₂O₂). Però l’acqua ossigenata è tossica per le cellule, quindi ci sono anche le catalasi che convertono l’acqua ossigenata in acqua e ossigeno molecolare. Dunque sono coinvolti nella detossificazione (perossidasi).

Nei vegetali collaborano con mitocondri e cloroplasti nella fotorespirazione.

Le proteine destinate ai perossisomi hanno come sequenza di aa: serina, leucina, serina.

Citoscheletro

Oltre agli organelli, il citoplasma contiene un insieme di fibre che, collettivamente, prendono il nome di citoscheletro. Queste fibre hanno la funzione di sostenere, permettere il movimento e l’interazione con lo spazio extracellulare.