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LA C E L L L U L A

L A C E L L U L AL A C E L L U L A

La cellula è la più piccola unità strutturale e

funzionale della materia vivente capace di

esistenza indipendente.

Esistono in natura migliaia di cellule diverse;

alcune di esse sono riportate nelle prossime

figure:

Ameba Proteus

Cellula vegetale

(foglia di pioppo) Globulo rosso umano

E. coli

Le cellule sono organizzate in tessuti (gruppi

di cellule che adempiono una medesima

funzione).

Diversi tipi di tessuti, uniti strutturalmente e

coordinati nelle loro attività, formano gli organi.

Il corpo umano è composto da 100 mila miliardi

di cellule (1014), di oltre 200 tipi diversi,

classificate in quattro tipi di tessuti: 1)

epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4)

nervoso.

Tessuti epiteliali:

Sono costituiti da strati continui di cellule che

formano un rivestimento protettivo su tutto il

corpo e contengono terminazioni nervose

sensoriali. Avvolgono ogni organo interno e

costituiscono le membrane di rivestimento degli

organi, delle cavità e dei canali. Inoltre, l’epitelio

gioca un ruolo molto importante nel regolare il

movimento di entrata e di uscita dal corpo di

molecole e ioni.

Tessuti connettivi:

Uniscono, sostengono e proteggono gli altri tre tessuti.

Le cellule sono ampiamente separate tra di loro dalla

matrice extracellulare ricca di fibre connettive e di

sostegno come il collagene, fibre elastiche e reticolari. I

principali tessuti connettivi sono: l’osso, il sangue e la

linfa.

SANGUE

CELLULE GERMINALI

Tessuto muscolare:

Costituito da due tipi

fondamentali: muscolo

striato e muscolo liscio; il

muscolo striato scheletrico

(sotto controllo volontario) e

cardiaco. Il muscolo liscio è

quello dell’apparato

digerente, utero, vescica e

vasi sanguigni. Il tessuto

muscolare liscio e quello

cardiaco sono involontari.

Tessuto nervoso:

Le unità fondamentali del tessuto nervoso sono i

neuroni (che trasmettono gli impulsi nervosi). Un

secondo tipo di cellule sono le cellule gliali (che

contengono i neuroni e sono dette nevroglia nel

s.n.c. e cellule di Schwann fuori del s.n.c.)

TEORIA CELLULARE

Il termine cellula fu coniato

per la prima volta nel 1665

da Robert Hook il quale

osservando al microscopio

composto (detto cosi

perchè formato da più lenti)

una fettina di sughero

molto sottile si accorse che

essa era tutta traforata e

formata da tanti comparti

separati da pareti cioè

“piccole stanze” che

chiamò cellule.

Successivamente l’olandese Leeuwenhoek

utilizzando il microscopio semplice (costituito da

una sola lente ed un ingrandimento 200x), che a

differenza di quello composto non dava

aberrazioni sferiche e cromatiche, osservò e

descrisse molte specie di protozoi, alghe e

batteri.

Ma dovettero passare più di 150 anni perchè

Schleiden per i tessuti vegetali e Schwann per

quelli animali enunciassero la teoria cellulare.

Alcune loro concezioni si rivelarono

successivamente errate ma essi erano

perfettamente scusabili.

Schleiden sosteneva che la riproduzione

cellulare era dovuta ad una sorta di gravidanza

della cellula.

Schwann riteneva invece che le cellule si

originassero da pezzetti di tessuto nel liquido

che si trova tra cellula e cellula.

Finché nel 1859 Virchow coniò il famoso

aforisma:”Ogni cellula deriva da un’altra

cellula”, valida ancora oggi.

La moderna teoria cellulare può essere

ricondotta a quattro affermazioni principali:

Tutta la materia vivente è formata da

cellule;

Tutte le cellule derivano da altre cellule;

L’informazione genetica è trasmessa da

una generazione all’altra;

Le reazioni chimiche che costituiscono il

metabolismo avvengono all’interno delle

cellule.

Dimensioni delle cellule

La tabella a destra riporta

le più importanti unità di

lunghezza internazionali.

Le cellule hanno (quasi

tutte) dimensioni molto

piccole. Ad es. una cellula

di E.coli ha un volume di

2x10-12 ml. Vi sono anche

cellule molto grandi come

ad es. l’acetabularia

(un’alga unicellulare lunga

5 cm!).

Nella tabella a destra

sono riportate le

dimensioni di alcune

piccole biomolecole

(come l’alanina ed il

glucosio), di

macromolecole (tre

proteine ed un lipide), di

strutture sopramolecolari

(virus e ribosomi), di

organelli cellulari

(mitocondri e

cloroplasti), di un

batterio e di una cellula.

Le cellule batteriche sono lunghe circa 2 µm, mentre

quelle di animali superiori circa 20-30 µm.

Perchè le cellule non sono più piccole o più grandi di

come le conosciamo?

La risposta è che non possono essere più piccole

perchè le molecole costitutive che formano la loro

sostanza organica hanno dimensioni ben definite e

determinate dalla grandezza degli atomi di C, H, O,

N. Poichè un certo numero di diverse biomolecole

sono necessarie per la vita, se le cellule fossero più

piccole, esse dovrebbero essere costituite da atomi

più piccoli.

Inoltre, esiste un’altra ragione: le cellule piccole

possono muoversi senza aiuti meccanici od elettrici.

D’altra parte le cellule non possono essere più

grandi perchè la velocità del loro metabolismo

verrebbe limitata dalla velocità di diffusione delle

molecole di nutrienti.

Quindi deve esistere un rapporto ottimale tra

superficie e volume della cellula (che è maggiore

nei corpi piccoli rispetto a quelli più grandi di

uguale forma).

In conclusione: Il rapporto superficie/volume di

qualsiasi corpo solido di forma costante

diminuisce con l’aumentare delle sue dimensioni.

Questo principio è noto come effetto scala.

Dividendosi periodicamente la cellula riesce a

mantenere abbastanza costante il rapporto

superficie/volume e di conseguenza il suo

tasso metabolico.

Esistono due grandi classi di cellule:

PROCARIOTI ED EUCARIOTI

che rappresentano i costituenti di tutti gli

organismi viventi raggruppati nei 5 Regni

(secondo la classificazione di Wittaker).

PROCARIOTI

I procarioti sono le cellule più semplici e

più piccole, nonché le prime ad essere

state originate nella evoluzione

biologica: un batterio fossile di 3,5

miliardi di anni fa è stato rinvenuto in

Australia.

Le cellule eucariote hanno avuto origine un

miliardo di anni più tardi, sono molto più grandi e

complesse e mostrano grande varietà e

differenziazione. Il termine procariota (dal greco

Karyon, nocciolo, nucleo), significa “prima del

nucleo” mentre eucariota significa “con un nucleo

ben formato”.

Quindi nei procarioti il materiale genetico é

localizzato nel cosidetto corpo nucleare o

nucleoide, molto irregolare e non circondato da

membrana.

Gli eucarioti invece posseggono un nucleo

altamente sviluppato e complesso circondato dal

rivestimento nucleare costituito da due

PROCARIOTI

I procarioti comprendono circa 3000 specie di

batteri (alcuni dei quali patogeni) e le alghe blu-

verdi o cianobatteri. Questi organismi vanno sotto

il nome di monere.

Le monere si dividono in due grandi gruppi: gli

archeobatteri e gli eubatteri. Gli archeobatteri

(scoperti in ambienti inospitali) possono vivere

fino a temperature di 360°C.

Vi fanno parte i tiobatteri (anaerobi che vivono in

ambiente fortemente acido), i batteri alofili (che

vivono in ambiente fortemente salino), i batteri

metanogeni (anaerobi che riducono la CO2a

metano).

Gli eubatteri comprendono i batteri gram-positivi, i

mixobatteri, i batteri purpurei (paracoccus, E.coli

e salmonelle) e i cianobatteri (alghe blu-verdi).

La parete cellulare impedisce

al batterio di gonfiarsi quando

le concentrazioni di metaboliti

al suo interno diventano

maggiori di quelle dell’esterno.

Tale squilibrio fa salire la

pressione osmotica anche a

20 atm e la cellula

scoppierebbe senza la parete

cellulare.

Come possiamo vedere nella

prossima figura, l’E.coli al pari

di molti altri batteri possiede

dei flagelli per il movimento.

All’interno della parete cellulare si trova la

membrana plasmatica (o membrana cellulare)

costituita da un doppio strato lipidico attraversato

da proteine che rendono la membrana

selettivamente permeabile per il trasporto delle

sostanze nutritive dall’esterno all’interno e dei

prodotti di rifiuto dall’interno all’esterno.

Inoltre, le cellule

procariote posseggono

un solo cromosoma

costituito da un’unica

molecola di DNA a

doppio filamento,

fortemente avvolto su

se stesso nel nucleoide.

Il colibacillo è costituito

da una membrana e da

una parete cellulare

esterna

Escherichia coli (E.coli)

E’ un batterio gram-negativo che si trova

nell’intestino dell’uomo ed è il più studiato. Ha un

diametro di circa 1 µm ed una lunghezza di circa

2 µm, può dividersi ogni 20-30 min a 37°C in un

terreno di coltura contenente glucosio, sali

ammonici e minerali.

E. coli, come tutte le cellule procariote si

riproduce in maniera asessuale, cioè quando

raggiunge delle dimensioni circa doppie del

normale si divide in due cellule figlie identiche.

Si può muovere ad una

velocità molto elevata di 50

µm/sec per cui essendo

lungo solo 2 µm percorrere

in un secondo uno spazio 25

volte superiore alla sua

lunghezza. In paragone un

uomo alto 2 mt. dovrebbe

correre a 5O metri al

secondo!

Esso possiede oltre ai flagelli anche i pili e le fimbrie: i

primi servono alla coniugazione ed i secondi alle

cellule di aderire alla superficie.

Ma torniamo ai procarioti. Alcuni di essi

vengono classificati e denominati in base alla loro

forma. Come possiamo vedere nella prossima

figura alcuni sono a forma di bastoncello (E.coli, i

batteri della difterite, del tetano, della tubercolosi,

ecc.), altri come i cocchi sono sferici (a coppie,:

diplococchi, a grappoli: stafilococchi, a file:

streptococchi) ed altri come le spirochete sono di

forma elicoidale (es. spirocheta della sifilide).

Origine delle cellule

I procarioti sono quindi gli antenati di ogni forma

di vita sulla terra, ma come hanno avuto origine?

Esistono due ipotesi: l’autotrofa e l’eterotrofa.

Secondo l’ipotesi autotrofa il primo organismo

vivente dev’essere stato capace di autonutrirsi

(qualcosa di simile alle piante fotosintetiche), cioè

in grado di sintetizzare autonomamente le

molecole organiche di cui aveva bisogno.

A sfavore sta però il fatto che per sintetizzare

tutte le molecole organiche come carboidrati,

proteine e grassi a partire da semplici molecole

inorganiche come CO2, H2O ed NH3, questo

organismo avrebbe già dovuto possedere un

notevole corredo enzimatico, il che é assurdo.

Secondo l’ipotesi eterotrofa il primo organismo

sarebbe stato qualcosa di molto simile ad un

virus con una forma di vita molto semplice; la

difficoltà sta nel fatto che questo organismo

doveva essere circondato da un ambiente

formato dalle più complesse molecole organiche

(il che può anche essere).

Come hanno potuto avere origine le molecole

organiche? L’atmosfera terrestre prima

dell’origine della vita e prima che si evolvesse la

capacità della fotosintesi mancava di O2, era cioé

un’atmosfera riducente.

Nel 1953 S. Miller fece un

exp. utilizzando le stesse

molecole che si pensava

fossero tra i principali

componenti dell’atmosfera

terrestre prima dell’origine

della vita e cioé: CH4, NH

3,

H2O e H

2.

Egli mise questa miscela in

un sistema chiuso in cui

venivano prodotte scintille

elettriche intermittenti (per

simulare i fulmini)

Dopo alcuni giorni la miscela cambiò colore e all’analisi

si trovarono varie molecole di aminoacidi, (i componenti

fondamentali delle proteine). Successivamente altri

esperimenti hanno portato alla sintesi di altri aminoacidi,

ATP e nucleotidi.

ORIGINE DELLA VITA

Nonostante la sintesi di molte molecole organiche, con

mezzi non biologici in laboratorio, simulando le

condizioni ambientali prima dell’inizio della vita sulla

Terra, c’è una notevole differenza tra le molecole

organiche e una cellula vivente.

Esistono due teorie sull’origine della vita sulla Terra,

quella di Fox e quella di Oparin:

Fox scopri che scaldando

delle miscele di amminoacidi

si formano catene

polipeptidiche che egli chiamò

proteinoidi i quali a contatto

con l’acqua si aggregano per

formare i cosidetti coacervati

di forma sferica e simile alle

cellule. Essi contenevano

molecole ad attività catalitica,

erano semipermeabili e

possedevano la capacità di

dividersi per gemmazione.

In alcuni batteri procarioti la membrana cellulare

contiene le proteine trasportatrici di elettroni per

la sintesi di ATP ed altri contengono clorofilla per

la fotosintesi.

La parte cellulare delimitata dalla membrana

plasmatica costituisce il citoplasma. Il citosol

rappresenta la parte acquosa del citoplasma nel

quale sono sospesi tutti gli organelli cellulari; si

tratta di un fluido altamente viscoso perchè è

costituito per il 50% da proteine. Una cellula di

E.coli contiene circa 2000 molecole diverse tra

amminoacidi, grassi, nucleotidi, vitamine, sali,

carboidrati e proteine e circa 15000 ribosomi

riuniti in grappoli chiamati polisomi.

Secondo questa teoria vennero prima le proteine

e solo successivamente gli acidi nucleici.

Secondo altri ricercatori furono gli acidi nucleici i

primi ad essere inglobati in una specie di virus

primordiale.

Secondo Oparin ed altri invece la sintesi della

prima particella autoriproducentesi detta proto-

organismo è avvenuta attraverso una serie di

passaggi di tipo Darwiniano fino ad arrivare ad un

organismo a molti geni e poi ad un organismo

autotrofo capace di sintetizzare tutti i suoi

composti organici a partire da quelli inorganici.

EUCARIOTI