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Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o
più cellule: è la cellula la più piccola porzione
organizzata di materia che possiede le
caratteristiche della vita.
La cellula: è l’unità fondamentale della vita
La scoperta delle cellule e la teoria cellulare
Nel diciottesimo secolo il matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese Robert
Hooke (1635-1702), usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e
altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò
queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine «cellula» ha assunto il suo
attuale significato, cioè «unità di base della materia vivente», soltanto 150 anni dopo
la scoperta di Hooke.
Nel 1838 Matthias J. Schleiden (1804-1881), un botanico tedesco, giunse alla
conclusione che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule.
Nell’anno seguente lo zoologo tedesco Theodor Schwann (1810-1882) estese le
osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a
tutti gli organismi viventi. Nel 1858 l’idea che tutti gli organismi fossero formati da
una o più cellule assunse un significato ancora più ampio quando l’anatomopatologo
tedesco Rudolf Virchow (1821-1902) affermò che le cellule possono essere originate
solo da altre cellule preesistenti.
«Quando una cellula esiste, ci dev’essere stata una cellula preesistente, proprio
come un animale si origina solo da un animale e una pianta si origina solo da una
pianta».
Secondo l’attuale formulazione, la teoria cellulare stabilisce
semplicemente che:
tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule;
le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i
meccanismi di liberazione dell’energia e le reazioni di
biosintesi, hanno luogo dentro le cellule;
le cellule si originano da altre cellule;
le cellule contengono le informazioni ereditarie degli
organismi di cui fanno parte, e queste informazioni
passano dalla cellula madre alla cellula figlia.
CELLULA si riproduce
scambia materia
ed energia
con l’ambiente
si autoregola
si può evolvere
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Le cellule possono essere divise in due classi principali, in base
alla presenza o meno di un nucleo ben definito.
Le CELLULE PROCARIOTICHE (i batteri) mancano di un
involucro nucleare ed il loro materiale genetico (compattato nel
nucleoide) è immerso nel citoplasma, non contengono organelli
circondati da membrane.
Le cellule procariotiche sono tipiche solo dei batteri.
Le CELLULE EUCARIOTICHE possiedono invece un nucleo che
racchiude il materiale genetico all’interno dell’involucro nucleare,
separandolo così dal citoplasma.
Attualmente, vi sono diverse teorie sul modo in cui questo
passaggio potrebbe essere avvenuto. Una delle più
accreditate è la teoria endosimbiontica formulata verso
la fine degli anni Ottanta del secolo scorso dalla genetista
statunitense Lynn Margulis; secondo questo modello, i
mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi
procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi. Qui i
procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di
simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula
più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali,
mentre i procarioti avrebbero fornito energia. La teoria
viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una
simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due
organismi che vivono l’uno all’interno dell’altro.
I processi che hanno portato alla comparsa delle prime
cellule eucariote sono stati sicuramente molto lenti; si
calcola, infatti, che siano occorsi circa 2 miliardi di anni
per passare dalle prime cellule procariote alla comparsa
(circa 1,5 miliardi di anni fa) di una cellula che
presentasse un nucleo delimitato da una membrana.
La teoria endosimbiontica spiega la comparsa delle cellule eucariote
Gli organismi costituiti da cellule procariote sono stati l’unica forma di vita sul nostro pianeta
prima della comparsa di quelli formati da cellule eucariote. Molti biologi pensano che il
passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote sia stato un evento estremamente
significativo nella storia della vita sulla Terra, secondo solo, per importanza biologica, alla
nascita delle prime semplici forme di vita.
Origine della vita e teorie evolutive Zanichelli
Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012
Le cellule sono piccole per ottimizzare il rapporto superficie/volume; ciò consente
alla cellula di ottenere una superficie di scambio con l’esterno adeguata per il
passaggio di nutrienti e scarti.
Le cellule hanno piccole dimensioni
Volumi ridotti Superfici più ampie
Numero e misure dei cubi
Area totale Volume totale Rapporto area/volume per ogni cubo
1 cubo, 4 cm di lato 96 cm2 64 cm3 1,5/1
8 cubi, 2 cm di lato 192 cm2 64 cm3 3/1
64 cubi, 1 cm di lato 384 cm2 64 cm3 6/1
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Lo strumento che ci consente di osservare le
cellule più piccole di 0,1 mm è il microscopio.
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Il microscopio ottico composto (LM) si avvale della luce e di un
sistema di lenti per ingrandire le immagini.
Il limite di risoluzione è di 0,2 μm.
Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM), il campione è
investito da un fascio di elettroni (lunghezza d’onda minore della luce). Le
immagini sono quindi a risoluzione più fine: il TEM più potente arriva a
0,1 nm.
Il microscopio elettronico a scansione (SEM) raccoglie e mette a
fuoco gli elettroni che sono dispersi dalla superficie del campione,
generando un’immagine tridimensionale.
mic
rosco
pia
Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012
Le cellule procariotiche ed eucariotiche possiedono
due strutture comuni:
•la membrana plasmatica;
•il citoplasma.
parete cellulare
ribosomi citoplasma
regione nucleare
membrana cellulare
La cellula procariota è organizzata per
garantire la sopravvivenza di organismi
molto semplici, con minime richieste
energetiche, e non risulta specializzata nel
compiere funzioni particolari.
Tutto il volume cellulare è occupato da un
liquido di consistenza gelatinosa (il
citoplasma), in cui sono immersi tuti i
costituenti chimici della cellula, e dei piccoli
organuli (ribosomi), deputati alla sintesi
delle proteine.
Il materiale genetico (DNA) si trova
fluttuante nel citoplama, in una regione
priva di una membrana che la delimiti (non
esiste un nucleo vero e proprio).
Esiste invece una struttura rigida di
protezione e di contenimento, la parete
cellulare, che la separa dall’ambiente
esterno.
La cellula procariota
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I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA
COCCHI BACILLI SPIRILLI
membrana
cellulare
nucleo
citoplasma
membrana nucleare
mitocondri
La cellula eucariota è un tipo di cellula
molto più voluminosa e complessa
della cellula procariota. Al suo interno
lo spazio è organizzato in settori cui
compete una certa funzione in modo
da assicurarne la sopravvivenza e la
riproduzione.
Le diverse regioni all’interno della
cellula sono delimitate da membrane
interne. In particolare , una membrana
(membrana nucleare) delimita il
nucleo, in cui si trova il materiale
genetico (DNA) che presiede al
controllo di tutte le attività della cellula
stessa.
La cellula eucariota possiede inoltre
numerosi organuli, in alcuni dei quali
hanno luogo i processi metabolici
fondamentali : nei ribosomi, ad
es.,avviene la sintesi delle proteine; i
mitocondri sono la sede della
respirazione cellulare
La cellula eucariota
Reticolo endoplasmatico
con ribosomi
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ESISTONO DUE TIPI FONDAMENTALI DI ORGANIZZAZIONE CELLULARE
CELLULA PROCARIOTE CELLULA EUCARIOTE
Dimensioni
Involucro nucleare
Parete cellulare
Organelli cellulari delimitati da membrana
Vacuoli
Ribosomi
Citoscheletro
Mitosi con cromosomi e fuso
Riproduzione sessuata
0.2 – 2 m
--
--
--
--
--
--
5 – 100 m
/-
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Le cellule presentano differenti forme, perché svolgono funzioni
diverse. Le cellule delle piante e degli animali presentano
caratteristiche diverse, ma tutte le cellule sono costituite da tre
componenti fondamentali:
- La membrana cellulare che le ricopre completamente
- Il citoplasma, che è un materiale gelatinoso contenuto all’interno
della cellula
- Il nucleo, che è una massa tondeggiante, che dirige tutte le
funzioni delle cellule..
Le cellule eucariote (vegetali o animali che siano) contengono,
inoltre, numerosi organelli:
mitocondri, vacuoli, lisosomi, ribosomi e altri.
Tre strutture fondamentali
La membrana cellulare detta anche membrana plasmatica, è molto
sottile e avvolge completamente la cellula.
Svolge le funzioni di
- Protezione
- Scambio di sostanze fra cellula e ambiente o cellula e cellula
- Adesione fra cellule
- Riconoscimento di messaggeri
La membrana è formata da un due strati di fosfolipidi, ossia da
molecole con una testa idrofilica rivolta verso l’esterno e due code
idrofobiche rivolte verso l’interno. All’interno di questo doppio strato
nuotano proteine di varia dimensione e collocazione: alcune
attraversano completamente il doppio strato e «sporgono» verso
l’esterno e verso l’interno della membrana.
La membrana cellulare
La membrana cellulare
Alcune proteine integrali sono delle glicoproteine, sporgono verso
l’esterno presentando all’ambiente circostante catene di carboidrati
che svolgono un ruolo importante nell’adesione fra cellule e nel
riconoscimento di molecole esterne quali ormoni, messaggeri,
anticorpi e virus.
La membrana cellulare
Le molecole più piccole, come l’acqua e l’anidride carbonica la
attraversano liberamente, mentre molecole più grandi, quali quelle
del glucosio, non sono in grado di attraversarla.
La membrana compie un’azione di selezione e decide quali molecole
introdurre e quali no. La membrana apre o chiude alcuni canali e
utilizza proteine di trasporto per regolare l’accesso delle molecole di
grandi dimensioni.
La membrana cellulare
La cellula animale
La cellula vegetale
Il citoplasma o citosol è una soluzione acquosa di consistenza
gelatinosa; occupa quasi tutto il volume della cellula.
In questa soluzione sono sciolte piccole molecole come sali,
aminoacidi, zuccheri e ATP oltre molecole più grandi quali le
proteine. Queste molecole sono ad alta concentrazione nel
citoplasma, mentre nell’ambiente esterno la loro concentrazione è
molto più bassa o addirittura assente. Circa metà del citoplasma è
occupato da organelli gran parte dei quali circondati da membrane.
Dentro il citosol alcuni organuli
possono muoversi, ma la maggior
parte di essi è ancorato a proteine
strutturali appartenenti al
citoscheletro che ne impediscono i
movimenti. Il citoscheletro mantiene
la forma della cellula, fissa gli
organelli e permette alla cellula di
muoversi. E’ una struttura dinamica di
sostegno che si modifica a seconda
delle esigenze della cellula.
Il citoscheletro
Numerosi organelli (o organuli cellulari) presenti nel citoplasma,
consentono alla cellula di svolgere tutte le funzioni necessarie per
vivere.
I principali organelli sono:
i mitocondri,
i ribosomi,
il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso
i vacuoli,
i lisosomi
Gli organelli
mitocondrio
Apparato di Golgi
lisosoma
vacuolo
ribosoma
reticolo endoplasmatico
centriolo
I mitocondri sono corpuscoli di forma allungata, simili ad un
fagiolo, avvolti da una doppia membrana.
I mitocondri svolgono la funzione di fornire energia alla cellula.
Contengono proteine che completano la reazione di respirazione
cellulare combinando zuccheri e ossigeno.
I mitocondri sono le centrali energetiche delle cellule. In una cellula
comune ci sono un migliaio di mitocondri, che vivono come inquilini,
conservando le proprie informazioni genetiche, duplicandosi secondo
un loro programma e parlando la propria lingua.
I mitocondri
I mitocondri
Quasi tutto il cibo e l'ossigeno che immettiamo nell'organismo, dopo
essere stati elaborati, sono inviati ai mitocondri, che li convertono in
una particolare molecola (ATP). E' l'ATP che ci tiene in vita. Le sue
molecole sono piccole batterie ricaricabili che si muovono all'interno
della cellula fornendole energia. In ogni istante una cellula contiene
circa un miliardo di queste molecole che in solo 2 minuti sono
consumate e rimpiazzate subito da un altro miliardo.
La formula della respirazione cellulare è la seguente:
O2 + zuccheri CO2 +H2O
ATP
La respirazione cellulare
I mitocondri demoliscono i carboidrati e producono ATP
Gli organismi eucariotici producono energia (ATP)
attraverso il processo della respirazione cellulare,
che consente di liberare l’energia immagazzinata
nel glucosio usando ossigeno.
La formula chimica della respirazione è:
6CO2 6H2O + + C6H12O6 6O2 acqua anidride carbonica glucosio ossigeno
La respirazione cellulare ha sede nei
mitocondri.
Essi sono suddivisi in comparti: la
membrana esterna, lo spazio
intramembrana, la membrana
interna, le creste e la matrice.
Il glucosio viene demolito nella
matrice, mentre nelle creste si
produce l’ATP.
Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012
I ribosomi sono corpuscoli disposti sulla superficie del reticolo
endoplasmatico intorno al nucleo o liberi nel citoplasma. Svolgono la
funzione di costruire le proteine necessarie alla cellula seguendo le
indicazioni del DNA. Le materie prime per la costruzione delle
proteine sono aminoacidi sparsi nel citoplasma.
I ribosomi
Il reticolo endoplasmatico è un sistema di canali che percorre
tutta la cellula. Parte del reticolo è coperto di ribosomi che
sintetizzano proteine e le immettono all’interno dei canali. Il reticolo
endoplasmatico svolge la funzione di sintesi, maturazione e accumulo
delle proteine.
Il reticolo endoplasmatico
L’apparato di Golgi
I vacuoli sono vescicole contenenti acqua e sostanze necessarie
alla cellula. Svolgono il ruolo di accumulo e magazzino delle
sostanze utili per la cellula. Nelle cellule vegetali possono
rappresentare gran parte del citoplasma.
I vacuoli
I lisosomi sono delle piccole vescicole contenenti proteine (enzimi)
in gradi di distruggere tutte e sostanze che si trovino al loro interno.
Svolgono la funzione di smaltire i rifiuti della cellula. Nei globuli
bianchi, nei vacuoli vengono distrutti batteri e virus.
I lisosomi
Il nucleo
Parete cellulare
cloroplasto vacuolo
Tre strutture contraddistinguono una cellula vegetale
I cloroplasti
La parete cellulare
Un grandissimo vacuolo
Le piante e le alghe usano l’energia del Sole per
produrre carboidrati (glucosio) e ossigeno a partire
dall’anidride carbonica e dall’acqua, attraverso il
processo della fotosintesi.
La formula chimica della fotosintesi è:
6CO2 6H2O + + C6H12O6 6O2
acqua anidride carbonica glucosio ossigeno
I cloroplasti catturano l’energia solare e producono carboidrati
Le cellule vegetali sono
connesse tra loro tramite
sottili canali, i
plasmodesmi.
Essi consentono lo scambio
di materiali tra cellule
adiacenti e, di conseguenza,
tra tutte le cellule della
pianta.
Ogni cellula comunica con le cellule adiacenti
Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012
Le cellule animali sono
connesse tra loro tramite tre
tipi di giunzioni:
•giunzioni di ancoraggio, o
desmosomi;
•giunzioni occludenti, o
serrate;
•giunzioni comunicanti, o
giunzioni gap.
Ogni cellula comunica con le cellule adiacenti
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