La scoperta delle celluleLa teoria cellulareLa struttura fondamentale delle celluleLa Cellula procarioticaLa Cellula eucariotica

Cellule animali e vegetali

1-LA TEORIA CELLULARE

Gli esseri viventi sono costituiti da celluleAntony Van Leeuwenhoek fu l’inventore del microscopio, che consentì l’osservazione oltre il mondo del visibile.Nella seconda metà del Seicento,Hooke osservò al microscopiodelle fettine di sughero e notò che erano costituite da tantepiccole cellette separate tra loro.Egli chiamò queste singole unità cellule.

La teoria cellulareNella seconda metà del 1800, integrando le conoscenze biologiche note all’epoca, fu formulata la teoria cellulare della vita. Questi i punti salienti di tale teoria: •tutti gli organismi viventi sono costituiti da una o più cellule(si dicono UNICELLULARI gli organismi fatti di una sola cellula, PLURICELLULARI se costituiti da più cellule);

•la cellula è la più piccola unità di materia vivente;•tutte le cellule derivano da altre cellule; •le cellule contengono le informazioni ereditarie ;•le informazioni si trasmettono dalla cellula madre alle cellule figlie.

Tutte le cellule hanno una struttura comune

Qualsiasi cellula possiede tre strutture fondamentali:• la membrana plasmatica: è l’involucro esterno della cellula, la delimita separandola dalle altre e dall’ambiente circostante;

• il citoplasma: è una soluzione acquosa di consistenza gelatinosa nella quale si compiono tutte le funzioni cellulari;

• il materiale genetico: rappresenta le informazioni che definiscono le caratteristiche della cellula stessa e della sua attività; tali informazione vengono trasmesse alle cellule figlie

Esistono diversi tipi di celluleIn base all’organizzazione del materiale genetico ed alla presenza di compartimenti cellulari distinti, si distinguono due tipi di cellule: cellule PROCARIOTICHE e cellule EUCARIOTICHE.L’elemento fondamentale che le differenzia è rappresentato dalla assenza della membrana nucleare nei procarioti, al contrario gli eucarioti hanno da un nucleo delimitato da una doppia membrana. Tra gli eucarioti si distinguono cellule VEGETALI e cellule ANIMALI

-Procarioti privi di nucleo

-Eucarioti con nucleoCellule vegetali

Cellule animali

La cellula procarioticaLe cellule procariotiche rappresentano il tipo cellulare più semplice e primitivo, tipico dei batteri.•Il materiale genetico è rappresentato da una molecola di DNA CIRCOLARE, sebbene non sia presente una membrana nucleare, il DNA che si localizza in una zona detta NUCLEOIDE. •Non ci sono organelli nel citoplasma, che pertanto rappresenta un unico compartimento.•La membrana cellulare è rivestita spesso da una struttura di protezione detta PARETE, costituita da zuccheri e proteine. Sulla superficie batterica possono emergere strutture proteiche per l’adesione (i PILI) o per la locomozione (i FLAGELLI)

La parete cellulare è un rivestimento di protezione rigido esterno alla membrana.

I flagelli, presenti singolarmente o in piccoli gruppi ai poli della cellula, consentono il movimento in ambiente acquoso

I pili sono piccole strutture proteiche, numerosi rivestono la cellula e servono per lìadesionealle superfici o ad altre cellule.

Il DNA è una molecola circolare non protetta da una membrana, che si localizza in una zona del citoplasma detta NUCLEOIDE

La cellula procariotica

Le cellule eucarioticheLe cellule eucariotiche posseggono un vero nucleo, circondato da una doppia membrana nucleare. Il materiale genetico è costituito da una o più molecole di DNA LINEARE.

Il citoplasma è suddiviso in compartimenti funzionalmente e fisicamente distinti, rappresentati dagli ORGANELLI. Gli organelli cellulari sono strutture circondate da membranache svolgono una funzione specificaAlcune strutture sono esclusive delle cellule animali (centriolo e flagello); altre appartengono solo alle cellule vegetali (cloroplasti, Vacuolo centrale e parete cellulare)

La cellula eucariotica animale

Nucleo

Mitocondrio

Apparato del Golgi

Reticolo endoplasmatico rugoso

Centriolo e flagello sono esclusivi della cellula animaleFlagello

Centriolo

Reticolo endoplasmatico liscio

La cellula eucariotica vegetale

Nucleo

Cloroplasti

Mitocondri

Vacuolo

Parete cellulare

Cloroplasto, vacuolo centrale e parete cellulare sono esclusivi della cellula vegetale

Reticolo endoplasmatico rugoso

Reticolo endoplasmatico liscio

La membrana cellulare ed il trasporto di sostanze Il trasporto passivoL’osmosi Il trasporto attivo mediato da proteine Il trasporto attivo mediato da vescicole

La membrana cellulare ed il trasporto di sostanze Il trasporto attivo Il trasporto passivo e l’osmosi Il trasporto mediato da vescicole

2- LE CELLULE e LE STRUTTURE CELLULARI

La membrana cellulareLa membrana cellulare (detta anche plasmatica) è una barriera funzionale costituita da tre elementi:•FOSFOLIPIDI disposti in un doppio strato con le code idrofobiche che si fronteggiano e le teste polari idrofiliche rivolte all’esterno ed all’interno della cellula. Tale struttura, per la sua mobilità è descritta come un mosaico fluido•PROTEINE: intrinseche o estrinseche, svolgono molte funzioni (trasporto, ancoraggio, comunicazione)•COLESTEROLO: regola la fluidità della membrana limitando i movimenti laterali dei fosfolipidi

Il trasporto attraverso la membranaLa membrana è detta semipermeabile o filtro selettivo perché è selettivamente permeabile: può essere attraversata da alcune molecole ma è impermeabile ad altre. Le sostanze attraversano le membrane in due modi:-Trasporto passivo: tale processo non richiede energia. Le sostanze si muovono secondo il loro GRADIENTE (differenza di concentrazione ai due lati della membrana): vanno dal lato ad alta concentrazione verso quello a bassa concentrazione finché si ottiene la stessa concentrazione ai due lati-Trasporto attivo: tale processo richiede dispendio di energia da parte della cellula. Il trasporto attivo può essere mediato da proteine oppure da vescicole che interessano tutta la membrana

Il trasporto PASSIVO

.

•Trasporto passivo semplice o diffusione: coinvolge

molecole piccole e apolari (tipicamente i gas respiratori O2 e

CO2) che passano velocemente tra le code dei fosfolipidi

•diffusione facilitata (figura): coinvolge molecole più grandi (come il glucosio)che attraversano la membrana passando attraverso canali proteici.

•osmosi: consiste nel PASSAGGIO DI ACQUA attraverso la membrana, che si verifica nel caso in cui i soluti NON possano attraversarla.

Il processo di diffusione dell’acqua attraverso una membrana è detto osmosi e si verifica solo se il soluto non può attraversare la membrana. L’acqua si muove andando a diluire il soluto dove questo è maggiormente concentrato ed il processo procede fino a che le due concentrazioni ai lati della membrana si equivalgono. Si dice ipotonica la soluzione a concentrazione bassa, da cui l’acqua esce; si dice ipertonica quella ad alta concentrazione in cui l’acqua entra.

L’OSMOSI

Nel globulo rosso entrano tante molecole di acqua quante ne escono.

Globulo rosso postoIn soluzione isotonica

Globulo rosso postoIn soluzione ipotonica(a bassa concentrazione)

Globulo rosso postoIn soluzione ipertonica(ad alta concentrazione)

Nel globulo rosso c’è maggiore concentrazione di soluti. Le molecole di acqua entrano nella cellula che si gonfia e

scoppia.

All’esterno della cellula c’è maggiore concentrazione di soluti.Le molecole di acqua escono dal globulo rosso che si raggrinzisce.

Il bilancio idrico all’interno delle cellule vegetali

La cellula vegetale in un ambiente ipotonico resta turgida: sebbene l’acqua entri nella cellula, la parete esterna rigida ne impedisce l’eccessivo rigonfiamento

In un ambiente ipertonico, l’acqua esce dalla cellula vegetale che avvizzisce e la sua membrana cellulare si stacca dalla parete.

Il trasporto attivo mediato da proteine di membranaUn tipo di trasporto attivo, che richiede pertanto dispendio di energia, viene attuato attraverso proteine di membrana. Si verifica in due casi•Se il soluto è GRANDE al punto di non poter passare passivamente attraverso i canali, le proteine che attuano il trasporto si dicono TRASPORTATORI•se il soluto deve essere trasportato CONTRO il proprio GRADIENTE, cioè forzatamente verso il lato della membrana dove la concentrazione di soluto è già più alta; in tal caso le proteine che attuano il trasporto si dicono POMPE di membrana

Un tipo di trasporto attivo coinvolge l’intera struttura della membrana, che forma delle fossette sulla sua superficie che poi si distaccano formando delle vescicole. Il processo è detto:

Il trasporto attivo mediato da vescicole di membrana

Endocitosi se materiale è prelevato dall’esterno e portato dentro la cellula.Esocitosi se materiale all’interno è portato verso l’esterno della cellula.Fagocitosi: se sono inglobate grandi strutture (es virus)

endocitosi

esocitosi

Il nucleo e il nucleoloIl nucleo ha la funzione di proteggere e propagare l’informazione genetica. Esso è circondato da una doppia membrana attraversata da pori che permettono il passaggio di sostanze e macromolecole quali RNAIl materiale genetico è detto CROMATINA per il suo aspetto granulare. Le zone più compatte (eterocromatina) rappresentano materiale genetico inattivo. Il nucleolo, pur essendo

compatto, è costituito dal DNA

che produce i ribosomi.nucleolo

cromatina

poro

Il reticolo endoplasmatico (RE)

ribosomiIl RE RUGOSO sintetizza le proteine

È costituito da una serie di sacchetti e tubuli membranosi collegati tra loro. Vi si producono e si accumulano sostanze di varia natura, che vengono poi dirette nei vari comparti cellulari attraverso vescicole. di ribosomi.Il reticolo può essere LISCIO oppure RUGOSO: in tal caso la superficie è costellata di ribosomi. I RIBOSOMI sono piccole strutture che servono alla produzione di tutte le proteine cellulari.Le proteine prodotte dai ribosomi si accumulano nel reticolo, di qui vengono destinate all’esterno o in altri siti per ulteriori modifiche.

Il RE LISCIO sintetizza fosfolipidi e steroidi.

L’apparato del Golgi

Vescicola proveniente dal RE

L’apparato del Golgi modifica le molecole prodotte dal reticolo endoplasmatico. L’apparato del Golgi è costituito da alcuni sacchetti membranosi che ricevono vescicole provenienti dal RE

I vacuoli possono immagazzinare sostanze nutritive

I vacuoli sono delle cavità circondate da membrana e ripiene di liquido. I vacuoli delle cellule vegetali rappresentano le riserve idriche e nutritive della cellula.

I mitocondriSono la centrale energetica della cellula: vi si svolge la

respirazione cellulare che consente di ottenere energia

trasformando il glucosio in CO2 e H2O

matrice

creste

membrana interna

membrana esterna

Il mitocondrio è costituito da due membrane: una esterna liscia ed una interna rugosa ripiegata in creste. Lo spazio più interno è riempita da materiale denso detto MATRICE in cui si trova una molecola di DNA CIRCOLARE

I CloroplastiAttuano la fotosintesi clorofilliana: impiegando

l’energia luminosa trasformano CO2 e H2O in

GLUCOSIO, con concomitante rilascio di O2 .

grano

tilacoide I cloroplasti sono circondati da una doppia membrana: una esterna liscia e una interna ripiegata in dischetti sovrapposti detti tilacoidi. I cloroplasti sono generalmente verdi perché ricchi di clorofilla.Si dicono cromoplasti se ricchi di pigmenti colorati (nei fiori) o amiloplasti se pieni di amido (come riserva nei semi)

IL CITOSCHELETROIl citoscheletro è formato da un sistema di proteine di forma allungata che costituiscono lo scheletro e il sostegno della cellula.

I microfilamenti sono costituiti da una proteina (actina) capace di contrarsi e dunque di muovere le strutture citoplasmatiche.

I microtubuli sono formati da proteine associate a formare un cilindro cavo che conferisce rigidità.

Microtubulo

microfilamento

Le cigliaCiglia sono appendici di natura proteica che servono per la propulsione e l’ancoraggio delle cellula.Le appendici più corte e numerose sono le ciglia. Nei batteri funzionano come i remi di una barca che battono l’acqua in modo sincrono, imprimendo alla cellula un movimento rapido. In molti animali possono muovere il liquido che ricopre la cellula: per esempio le cellule dell’epitelio bronchiale sono dotate di ciglia che

Cellule ciliate dell’epitelio bronchiale

muovono la soluzione mucosa che ricopre le vie aeree, eliminando così le particelle estranee

I flagelliI flagelli sono lunghe appendici proteiche, presenti singolarmente o in numero limitato, che servono per il moto della cellula. Nei batteri la rotazione del flagello

produce la propulsione in avanti

Negli eucarioti il flagello è costituito di numerosi microtubuli che scorrono gli uni rispetto agli altri,di conseguenza il flagello ondeggiaCome un serpente determinando ilmoto cellulareMicrotubuli nel flagello eucariotico

ABIOGENESI- A partire dai tempi di Arisotele (400 a.C.) e fino al 1600 circa, gli studiosi pensavano che la vita fosse insita nella materia stessa e quando le condizioni erano favorevoli emergeva spontaneamente, dunque anche gli oggetti inanimati sarebbero dotati di uno «spirito vitale» che consente di creare la vita. Nel XVII secolo iniziarono i primi esperimenti per provare la teoria della generazione spontanea e il medico Jean Baptiste Van Helmont dichiarò di aver condotto un particolarissimo esperimento: mise una camicia sporca a contatto con dei chicchi di frumento e secondo lo scienziato dopo 21 giorni sarebbero nati dei topi. A parere del medico il sudore di cui era impregnata la camicia sarebbe stato il principio attivo grazie al quale la materia inerte si sarebbe trasformata in materia vivente.

Teorie relative all’origine della vita

BIOGENESI- Intorno al 1668 Francesco Redi, applicando il metodo scientifico sperimentale, osservò che la vita deriva solo da vita preesistente, mise così in crisi la teoria della generazione spontanea: dimostrò che dalla carne in putrefazione non nascevano vermi se, con opportune coperture, si impediva alle mosche di posarvisi sopra.L’invenzione del microscopio e l’osservazione dei microrganismi ha dato nuovo impulso alla teoria della generazione spontanea: alcuni consideravano i microrganismi, detti “infusori”, la prova della generazione spontanea della vita. Gli esperimenti di Pasteur (1860) dimostrarono inconfutabilmente che i microrganismi non sono frutto di generazione spontanea ma sono organismi presenti ovunque e vengono trasportati dall’aria

Teorie relative all’origine della vita

Stabilita con certezza la validità della BIOGENESI, gli scienziati hanno tentato di spiegare in che modo si è originata la vita sulla Terra, comparsa circa 3,5 miliardi di anni fa.IPOTESI EXTRATERRESTRE detta PANSPERMIA: osservando molecole organiche in materiale interstellare, alcuni ritengono che la vita sarebbe venuta dall’ambiente extraterrestre.IPOTESI di OPARIN (dell’ evoluzione prebiotica). Secondo Oparin

(1838) all’inizio della vita del pianeta un’atmosfera ricca di CH4,

CO2, NH3 e H2O avrebbe favorito la formazione di molecole

organiche che, in un “brodo primordiale” avrebbero interagito tra loro per formare i primi semplici aggregati cellulari. Tale ipotesi sarebbe stata verificata sperimentalmente da Miller nel 1953

La comparsa della vita sulla Terra

Secondo gli studiosi i primi organismi sviluppatisi sulla terra erano procarioti (comparsi 3,5 miliardi di anni fa). Gli eucarioti si sarebbero sviluppati dopo circa 2 miliardi di anni a seguito di un processo noto come ENDOSIMBIOSI. Cellule procariotiche avrebbero fagocitato altri procarioti, che sarebbero poi divenuti «organelli» all’interno della cellula ospite, divenuta così eucariotica.

Origine degli eucarioti: l’ENDOSIMBIOSI

Si ritiene che un grande procariote anaerobio ed eterotrofo, introflettendo la membrana plasmatica, avrebbe potuto formare compartimenti cellulari interni con funzioni specializzate (es.: reticolo endoplasmatico, Golgi). Avrebbe anche fagocitato, e non digerito, organismi procarioti con metabolismo aerobio, che sarebbero poi diventati i mitocondri; si svilupparono così i primi eucarioti. In un secondo momento, inglobando organismi autotrofi fotosintetici, si sarebbero ottenuti i cloroplasti e dunque le cellule eucariotiche vegetali.