La cellula - Riassunto PDF

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Osserviamo la cellula - cap. A4 lez. 1 Esistono due tipi di cellule: procariote ed eucariote. Le prime sono più piccole e con una struttura più semplice, tuttavia le funzioni fondamentali di una singola cellula procariota sono simili a 60 000 miliardi di cellule eucariote. ! Il diametro di una cellula varia da 1 a 100 micron è il volume da 1 a 1000 micron cubi. Il volume determina la quantità di attività svolta dalla cellula, mentre la superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’esterno. Le dimensioni ridotte delle cellule dipendono quindi dalla necessità di mantenere un adeguato rapporto tra superficie e volume.! 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 ad osservare le cellule e le loro strutture interne. Esistono due tipologie di microscopi:! • Il microscopio ottico, che utilizza un sistema di lenti di vetro e un fascio di luce visibile.! • Il microscopio elettronico, che utilizza degli elettromagneti per mettere a fuoco un fascio di elettroni con l’aiuto di un sistema di lenti. Esistono inoltre varie tipologie di microscopio elettronico come quello a trasmissione (TEM) e a scansione (SEM), con il quale si può ottenere un’immagine tridimensionale.!

- cap. A4 lez. 2 Le cellule procariote hanno una struttura più semplice di quelle eucariote. Un esempio di organismi composti da cellule procariote sono gli archei e i batteri. Le cellule procariote che formano questi organismi non possiedono compartimenti interni delimitati da membrane.! Tutte le cellule procariote possiedono la stessa struttura di base:! 1. Sono composte da una membrana plasmatica, composta da un doppio strato di molecole fosfolipide. Questo strato superficiale agisce da barriera semipermeabile mantenendo le caratteristiche interne invariate.! 2. All’interno della membrana plasmatica di trova il citoplasma, un materiale semifluido dove avvengono le reazioni cellulari. Esso è a sua volta composto da il citosol, la parte più fluida, e le particelle insolubili (tra cui i ribosomi) sospese in esso.! 3. Una zona particolare del citoplasma detta nucleoide, che contiene il DNA.! 4. Nel citoplasma, inoltre, sono contenuti i ribosomi, aggregato di RNA e proteine. Qui ha sede la sintesi proteica.! Le molecole contenute nel citoplasma sono in continuo movimento, il quale contribuisce ad assicurare che le reazioni biochimiche avvengano a un ritmo sufficiente per mantenere in vita la cellula.!

Nel corso della loro evoluzione, alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate in grado di conferire vantaggio alle cellule che le possiedono. Tali strutture sono:! • La parete cellulare e la capsula. Molti procarioti possiedono una parete cellulare situata esternamente alla membrana plasmatica. La sua rigidità serve da sostegno alla cellula e ne determina la forma. Attorno a questa parete, alcuni batteri presentano un ulteriore rivestimento: la capsula. Questa non è essenziale alla vita dei procarioti, ma talvolta svolge una funzione protettiva.! • Le membrane interne. Alcuni batteri, chiamati cianobatteri, sono in grado di svolgere la fotosintesi, grazie al ripiegamento della membrana plasmatica all’interno del citoplasma formando un sistema, esteso, di membrane interne.! • I flagelli e i pili. Numerosi procarioti sono in grado di nuotare grazie all’utilizzo di appendici denominate flagelli, costituite da proteine capaci di contrarsi e ruotare come un elica, spingendo in avanti la cellula. Esistono altre strutture più corte e molto più numerose, i pili. Essi servono a far aderire vari batteri fra di loro, consentendo gli scambi di materiale.! • Il citoscheletro. È un nome collettivo per definire cari filamenti proteici che hanno un ruolo nella divisione cellulare o nel mantenimento della forma delle cellule.!

- cap. A4 lez. 3 Le cellule eucariotiche sono tipiche di protisti, vegetali, funghi e animali. Le dimensioni di una cellula eucariotica è fino 10 volte più grande di una procariotica. Negli organismi pluricellulari le cellule eucariotiche presentano forme piuttosto varie e contengono strutture particolari che svolgono compiti specializzati.! Le cellule eucariotiche hanno una struttura di base simile a quella delle cellule procariotiche, tuttavia la struttura interna è più complessa rispetto alle cellule batteriche. Esse infatti sono caratterizzate dalla presenza di compartimenti interni delimitati da membrane, gli organuli, nei quali sono contenuti speciali enzimi, che consentono alla cellula di svolgere precise reazioni chimiche.! Tra i vari tipi di organuli presenti nelle cellule eucariotiche, il più evidente è il nucleo che contiene il DNA. Altre caratteristiche fondamentali delle cellule eucariotiche sono il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i mitocondri e i vacuoli. ! Tutti gli organuli sono avvolti da una membrana costituita da fosfolipidi e proteine, che svolge una funzione di barriera e di separazione tra gli altri organuli.! cfr. pag. A62 e A63, per vedere nel dettaglio la struttura interna della cellula vegetale e animale.

- cap. A4 lez. 4 Nell’ambito delle cellule animali il nucleo svolge varie funzioni:! • è il luogo contenente il DNA, la molecola che contiene le informazioni per svilupparsi, e dove avviene la sua duplicazione;! • è la sede del controllo genetico dell’attività cellulare;! • contiene una zona, il nucleolo, dove ha inizio il montaggio dei ribosomi a partire dal RNA e da specifiche proteine.! Il nucleo è avvolto da una doppia membrana che costituisce l’involucro nucleare, attraverso il quale trafficano macromolecole attraverso i pori nucleari. Talvolta le molecole più grandi presentano brevi “sequenze segnale” che funzionano come un’etichetta di riconoscimento. All’interno del nucleo sono presenti diverse molecole di DNA associate a proteine a formare un complesso fibroso, detto cromatina. Poco prima della divisione cellulare la cromatina si addensa in strutture compatte dette cromosomi.! Sia i ribosomi dei procarioti sia quelli degli eucarioti sono composti da subunità di dimensioni diverse, anche se i ribosomi eucariotici sono più grandi e contengono più molecole di RNA, detto RNA ribosomiale (rRNA). ! Indipendentemente dal loro posizione, i ribosomi hanno il compito di sintetizzare le proteine in base alle informazioni codificate nel DNA (traduzione). L’RNA messaggero (mRNA) ha il compito di trasferire l’informazione contenuta nel DNA.!

- cap. A4 lez. 5 Nelle cellule eucariotiche è presente un vasto sistema di membrane interne che delimitano comparti separati dal citoplasma. I due comparti principali sono il reticolo endoplasmatico (RE) e l’apparato di Golgi. ! Lo spazio interno del RE, che è separato dal citoplasma circostante, si chiama lume. I suoi ripiegamenti producono una superficie molte volte superiore a quella della membrana plasmatica. La parte di RE a cui aderiscono la maggior parte dei ribosomi si chiama reticolo endoplasmatico ruvido (RER), mentre quello provo di ribosomi prende il nome di reticolo endoplasmatico liscio (REL).! Il RER sintetizza membrane e proteine, tiene separate dal citoplasma le proteine sintetizzate e le modifica chimicamente. In particolare il RER è il luogo di sintesi delle proteine di secrezione destinate a svolgere la loro funzione fuori dal citosol.! Le cellule che sintetizzano proteine da esportare in grande quantità hanno solitamente un RER molto sviluppato, mentre al contrario le cellule che accumulano grassi hanno un RER meno sviluppato.!

Il REL è privo di ribosomi e ha una struttura più tubolare del RER, con il quale comunica. Molte delle sue attività sono dovute agli enzimi presenti nella sua membrana. Il REL svolge quattro funzioni principali:! 1. è la sede della sintesi dei lipidi;! 2. è responsabile della trasformazioni chimica di sostanze chimiche o tossiche (come nelle cellule del fegato);! 3. nelle cellule animali, è la sede in cui avviene l’idrolisi del glicogeno per produrre glucosio;! 4. ha il compito di immagazzinare ioni di calcio.! La sintesi dei lipidi comprende gli acidi grassi, i fosfolipidi e gli steroidi.! L’aspetto dell’apparato di Golgi è molto vario: può apparire come un insieme di sacchetti impilati gli uni sugli altri o come piccole vesciche circondate da una membrana. Esso svolge varie funzioni:! • riceve le proteine dal RER e le elabora ulteriormente;! • concentra, confeziona e smista le proteine;! • sintetizza i polisaccaridi per la parete delle cellule vegetali.! I lisosomi sono un altro componente del sistema di membrane. Sono vescicole circondate da una singola membrana e contenenti enzimi digestivi. Una singola cellula può contenere un numero variabile di lisosomi in base alle sue necessità. La loro formazione avviene ad opera del RE e dell’apparato di Golgi. Questi organuli servono per la costituzione della membrana lisosomiale: una speciale membrana che racchiude in uno specifico compartimento gli enzimi digestivi.! - Durante la fagocitosi , nella membrana citoplasmatica si forma un’introflessione che diventa sempre più profonda fino a circondare le sostanze nutritive all’esterno.! - Un’altra importante funzione dei lisosomi è la distruzione dei batteri nocivi. Questi vengono inglobati dentro ai vacuoli, dove sono riversati gli enzimi che distruggono la parete batterica.! - I lisosomi sono anche il luogo in cui la cellula digerisce i propri materiali per autofagia. L’autofagia è il processo in cui un organulo viene inglobato dal lisosoma e digerito, rendendo disponibili per la cellula nuove molecole.! Oltre i lisosomi, le cellule eucariotiche posso contenere altri organuli circondati da una singola membrana: i perossisomi e i vacuoli. ! Nei primi vengono digeriti, grazie all’utilizzo di speciali enzimi, alcuni composti tossici (come l’acqua ossigenata) che si formano come sottoprodotto del metabolismo cellulare. ! I vacuoli, presenti nelle piante e nei protisti, sono circondati da una membrana e pieni di soluzioni acquose. Possono svolgere funzioni:! • di deposito: qui infatti vengono accumulati la maggior parte dei prodotti di scarto;! • di sostegno: grazie al suo importante volume, il vacuolo contribuisce al sostegno della parete cellulare;! • di digestione: molto presenti nei semi di alcune piante.!

- cap. A4 lez. 6 Per mantenere la vita e per sintetizzare le molecole necessarie, tutte le cellule hanno bisogno di energia. L’energia viene prodotta dai mitocondri (cellule eucariotiche) e dai cloroplasti (cellule vegetali).! I cloroplasti, appartenenti alla famiglia dei plastidi (presenti sono nell’ambito vegetale), contengono il pigmento verde della clorofilla e sono la sede della fotosintesi, il processo che converte energia solare in energia chimica. I cloroplasti variano per dimensione e forma, sono circondati da due membrane e al loro interno contengono una molecola di DNA. Inoltre, al loro interno, contengono una serie di membrane impilate a pile, i grani, formati da una serie di sacchetti appiattiti, i tilacoidi, contenenti clorofilla.! Il liquido in cui sono appesi i grandi i chiama stroma, contenente DNA e ribosomi.! Nelle cellule eucariotiche, le molecole nutrienti iniziano ad essere demolite nel citoplasma. Dopo questa parziale scomposizione entrano nei mitocondri, dove vengono demoliti e con la loro energia, vengono create molecole di ATP. La creazione di ATP, che richiede ossigeno molecolare, si chiama respirazione cellulare. Le dimensioni e il numero di mitocondri in una cellula variano.! I mitocondri sono rivestiti da due membrane: quella esterna, è liscia e svolge una funzione protettiva, quella interna, che si ripiega più volte su se stessa (creste) e che ha una superficie più vasta. ! Qui, nello spazio denominato matrice micotondriale, contenente DNA e ribosomi, avvengono le reazioni della respirazione cellulare, che libera energia contenuta nei nutrienti assimilati.!

- cap. A4 lez. 7 Oltre ali organuli dotati di membrana, nel citoplasma possiamo trovare una serie di fibre lunghe e sottili che costituiscono il citoscheletro. Esso svolge varie funzioni:! • sostiene la cellula e ne mantiene la forma;! • è alla base del movimento cellulare;! • contribuisce a mantenere gli organuli all’interno del citoplasma.! I componenti essenziali del citoscheletro sono i microfilamenti, i filamenti intermedi e i microtubuli.! I microfilamenti sono polimeri costituiti da molecole di actina. L’actina contribuisce al processo di contrazione muscolare insieme ad un’altra proteina, la miosina. Quindi le funzioni principali dei microfilamenti sono due: mantenere la forma della cellula e sono responsabili del movimento (con i pseudopodi).!

Esistono almeno 50 tipi di filamenti intermedi, tuttavia in generale sono composti da proteine fibrose che si riuniscono in strutture robuste a forma di corda. I filamenti intermedi svolgono due funzioni principali: rafforzano la struttura della cellula, mantenendo al loro posto i vari componenti, e oppongono resistenza alla tensione e contribuiscono all’adesione tra cellule vicine.! I microtubuli, costituiti dalla proteina tubulina (la quale li rende una struttura dinamica capace di cambiare lunghezza), sono cilindri cavi, che:! • formano uno scheletro interno rigido;! • servono da binari lungo i quali le proteine motrici possono spostare organuli e materiali, grazie all’utilizzo di ATP;! • sono inoltre associati ad appendici come ciglia e flagelli, e sono fondamentali per la divisione cellulare.! Molte cellule eucariotiche posseggono ciglia e flagelli. Entrambi, costituiti da microtubuli, posso spingere la cellula in ambiente acquoso. Le ciglia sono più piccole dei flagelli, e di solito si trovano in numero più abbondante rispetto ai flagelli, che di solito si trovano da soli o in coppia.!

- cap. A4 lez. 8 Come già detto, la barriera funzionale tra l’interno e l’esterno della cellula, è la membrana plasmatica, ma le cellule producono molte strutture esterne; queste strutture extracellulari svolgono funzioni protettive, di sostegno e di fissaggio per le cellule.! La parete cellulare delle cellule vegetali, è una struttura semirigida situata esternamente alla membrana plasmatica, composta da fibre di cellulosa. La parete cellulare svolge nelle cellule vegetali tre importanti funzioni:! • fornisce sostegno alla cellula;! • costituisce una barriera contro le infezioni fungine;! • contribuisce a dare forma alla pianta.! Il citoplasma di ogni cellula è in connessione con quello delle altre cellule adiacenti tramite una serie di canali, detti plasmodesmi, che attraversano la parete cellulare.! Le cellule animali sono prive di una parete cellulare (propria invece dei vegetali), ma molto spesso sono circondate da una matrice extracellulare.! Questa è composta da proteine fibrose come il collagene, da glicoproteine dette proteoglicani è da un terzo tipo di proteina che tiene insieme le prime due.! Le funzioni della matrice cellulare sono molteplici:! • circonda e tiene unite le cellule di un tessuto e le sostiene;! • collabora al filtraggio dei materiali cha passano da un tessuto all’altro;! • svolge un ruolo nell'invio dei segnali chimici tra una cellula all’altra.!

- cap. A4 lez. 9 È impossibile sapere con certezza come si siano formate le prime cellule, ma di vero sappiamo che non possedevano il livello di complessità delle cellule eucariotiche. Secondo le teorie più recenti dapprima si sarebbero formate le biomolecole, che poi si sarebbero aggregate formando una protocellula. In seguito sarebbero comparsi il sistema di membrane, i mitocondri e i cloroplasti.! Le protocellule sono un tipo particolare di strutture prebiotiche, piene d’acqua e delimitate da una membrana a doppio strato lipidico, composto da teste polari e code apolari. Queste strutture assomigliano molto a delle cellule; anche se non sono capaci di riprodursi e nemmeno di portare a termine delle reazioni metaboliche.! Il passaggio successivo alle protocellule sono state le cellule procariote, più semplici, e protagoniste della vita sulla Terra per circa due miliardi di anni; fino a quando non comparvero le prime cellule eucariote circa 1,5 miliardi di anni fa, più complesse data la possibilità di compiere più reazioni biochimiche grazie ai loro scompartimenti interni.! Il grado di complessità dei viventi aumentò ancora con la comparsa dei meccanismi di simbiosi. La simbiosi è un processo di “convivenza” tra due organismi: i biologi infatti ritengono che alcuni organuli (come i mitocondri e i plastidi) si siano formati in seguito all’ingestione (non seguita da digestione) di una cellula da parte di un’altra. Con il tempo la cellula ingerita si sarebbe concentrata su alcune funzioni metaboliche, mentre la cellula “ospite” si sarebbe occupata di proteggere il nuovo sistema dai pericoli esterni. Questa è l’essenza della teoria dell’endosimbiosi per l’origine degli organuli.!

Le membrane cellulari - cap. A5 lez. 1 Le membrane sono una parte fondamentale per la stessa sopravvivenza di una cellula: anche se molto sottili, sono strutture altamente organizzate che permettono alle cellule di interagire tra di loro è che regolano gli scambi di materia con l’ambiente.! La struttura di base delle membrane cellulari è detta modello a mosaico fluido ed è formata da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono immerse molecole proteiche: il doppio strato fosfolipidico forma infatti un “lago” in cui “galleggiano” varie proteine.! I principali costituenti delle membrane biologiche sono i fosfolipidi, molecole particolari che presentano una testa idrofila e due lunghe code idrofobiche, che si dispongono a doppio strato. Bisogna ricordare però che le membrane naturali sono un sistema dinamico, capace di fondersi con altre membrane. Anche se molto simili per struttura, le membrane possono differire per composizione lipidica; in alcune so può trovare anche il colesterolo, un componente che contribuisce a dare più resistenza. Gli acidi grassi che compongono i fosfolipidi, inoltre, garantiscono fluidità alla cellula, così che una molecola può spostarsi da una parte all’altra della membrana in poco più di un secondo.! Tutte le membrane biologiche contengono proteine. Queste proteine, le proteine di membrana, sono principalmente di due tipi:! • Le proteine integrali di membrana sono immerse nello strato fosfolipidico e presentano due regioni: lunghe porzioni idrofobiche ad α elica che attraversano la parte centrale del doppio strato, mentre le estremità idrofile sporgono nei due lati della membrana. Spesso le proteine sono disposte in maniera asimmetrica. Le proteine integrali che sporgono all’esterno e all’interno della cellula esponendo due estremità diverse sono dette proteine transmembrana.! • Le proteine periferiche di membrana sono prive di regioni idrofobiche e sono quindi totalmente immerse nell’ambiente acquoso extracellulare. Le proteine periferiche possono trovarsi solo su un lato della membrana, conferendo quindi alle due superfici funzioni diverse.! Alcune proteine di membrana sono libere di spostarsi lungo la stessa, altre invece sono ancorate ad una zona precisa.! Oltre ai lipidi e alle proteine, molte membrane contengono quantità notevoli di carboidrati, situati all’esterno della membrana, e servono da siti di riconoscimento per altre cellule e molecole. Questi carboidrati formano legami covalenti, formando glicolipidi e glicoproteine. !

Là struttura appena descritta è comune a tutte le membrane: sia a quelle che delimitano la cellula sia a quelle che delimitano organuli o vescicole. Negli eucarioti, la membrana plasmatica viene continuamente rinnovata. Esiste quindi una stretta relazione tra tutte le membrane presenti, che sono strutture estremamente dinamiche: si convergono l’una nell’altra e si modificano chimicamente.!

- cap. A5 lez. 2 Il nostro corpo possiede circa 60 000 miliardi di cellule organizzate in vari tessuti (come i muscoli e i nervi). I processi che permettono alle cellule di aggregarsi un tessuto sono due: il riconoscimento cellulare, con cui una cellula si collega ad altre di un determinato tipo, e l’adesione cellulare, con le quali si rafforzano le connessioni tra una e l’altra cellula. Entrambi interessano la membrana plasmatica e dipendono dalle sue proteine. ! S...