Un viaggio dentro la cellula

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Introduzione al mondo della cellula

I microscopi ci permettono di esplorare l’interno delle cellule

Il microscopio ottico (LM, dall’inglese Light Microscope) permette di vedere forma e struttura di una cellula.

Oculare

Lenti dell’oculare

Lenti dell’obiettivo

Campione

Lenti del condensatore

Fonte di luce

Figura 4.1A

I microscopi ottici ingrandiscono le cellule (vive e conservate) fino a 1000 volte le loro dimensioni reali.

Il microscopio elettronico ha un potere di risoluzione molto più elevato (è in grado d’ingrandire un’immagine anche 100 000 volte) e rivela i dettagli cellulari.

SE

M 2

000

TE

M 2

800

Figura 4.1C – Immagine prodotta con il microscopio elettronico a scansione (SEM, Scanning Electron Microscope).

Figura 4.1D – Immagine prodotta con il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron Microscope).

4.2 Le dimensioni delle cellule variano a seconda delle loro funzioni

Le cellule variano per dimensione e forma.

• Le dimensioni cellulari sono limitate dalla necessità di avere un’area superficiale abbastanza estesa da permettere scambi efficaci con l’ambiente esterno, come l’assunzione delle sostanze nutritive e l’eliminazione delle sostanze di rifiuto.

• Le dimensioni microscopiche della maggior parte delle cellule assicurano quest’area superficiale.

Le cellule procariotiche hanno una struttura più semplice delle cellule eucariotiche

Esistono due tipi di cellule:

• procariotiche

• eucariotiche Cellula procariotica

Nucleoide

Nucleo

Cellula eucariotica Organuli

Col

oriz

zata

TE

M 1

5 00

0

• Le cellule procariotiche (presenti negli eubatteri e negli archebatteri) sono cellule piccole, relativamente semplici, che non hanno un nucleo circondato da una membrana.

• Il loro DNA è situato in una regione detta nucleoide.

Flagelli batterici

Ribosomi

Capsula

Parete cellulareMembrana cellulare

Nucleoide (DNA)

Pili

Le cellule eucariotiche sono suddivise in compartimenti che svolgono funzioni diverse

• Le cellule eucariotiche sono contraddistinte dalla presenza di un vero e proprio nucleo.

• Nelle cellule eucariotiche esiste un sistema di membrane interne che suddivide il citoplasma in zone diverse con funzioni differenti, facilitando l’insieme delle attività chimiche indicate come metabolismo cellulare.

Una cellula animale contiene una varietà di organuli circondati da membrane.

NucleoReticolo endoplasmatico liscioReticolo

endoplasmatico ruvido

Ribosomi

Apparato di Golgi

Membrana plasmatica

Mitocondrio

Flagello

Assenti nella maggior parte delle cellule vegetali

Lisosoma

Centriolo

Microtubulo

CitoscheletroFilamento intermedio

Microfilamento

Perossisoma

Una cellula vegetale ha alcune strutture che sono assenti in a una cellula animale, come i cloroplasti e una parete cellulare rigida.

Vacuolo centraleAssenti

nelle cellule animali

Cloroplasto

Parete cellulare

Apparato di Golgi

Nucleo

Microtubulo

Citoscheletro Filamento intermedioMicrofilamento

Ribosomi

Reticolo endoplasmatico liscio

Mitocondrio

Perossisoma

Reticolo endoplasmatico ruvido

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica e gli organuli circondati da membrane

La membrana plasmatica è costituita principalmente da fosfolipidi e proteine organizzati in un modello a mosaico fluido

• I fosfolipidi sono i principali componenti strutturali delle membrane.

• Queste molecole hanno una «testa» idrofilica e due «code» idrofobiche.

CH2 CH2

Gruppo fosfato

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

CH2

CH2

CH3

CH3

CH3N+

O

O O–P

O

CH2CHCH2

C O C O

O O

Schema di un fosfolipide

Code idrofobiche

Testa idrofilica

I fosfolipidi formano una struttura stabile a due strati chiamata doppio strato fosfolipidico in cui le teste idrofiliche sono a contatto con l’acqua, mentre le code idrofobiche si orientano verso l’interno, allontanandosi dall’acqua.

Acqua

Acqua

Teste idrofiliche

Code idrofobiche

• La membrana plasmatica viene descritta come un mosaico fluido.

• La sua struttura è, infatti, fluida, perchè la maggior parte delle molecole proteiche e dei fosfolipidi può muoversi lateralmente nella membrana.

Fibre della matrice extracellulare

Carboidrato (della glicoproteina)

Glicoproteina

Filamenti del citoscheletro

Fosfolipide

Colesterolo Proteine

Membrana plasmatica

Glicolipide

Citoplasma

Molti organuli cellulari sono in comunicazione tramite un sistema di membrane interne

Il sistema di membrane interne è un insieme di organuli circondati da membrane che lavorano insieme nel sintetizzare, immagazzinare e distribuire i prodotti cellulari (molecole importanti quali, per esempio, lipidi e proteine).

I vari organuli del sistema di membrane interne sono interconnessi strutturalmente e funzionalmente.

Nucleo

Reticolo endoplasmatico liscio Membrana nucleare Apparato di Golgi

Lisososma

Vacuolo

Membrana plasmatica

Reticolo endoplasmatico ruvido

Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo endoplasmatico

Vescicola di trasporto proveniente dall’apparato di Golgi

Il nucleo è il centro di controllo della cellula

• Il nucleo è solitamente l’organulo più grande ed è separato dal citoplasma tramite la membrana nucleare.

• Il nucleo è il centro di controllo genetico della cellula eucariotica perché contiene il DNA che dirige tutte le attività cellulari.

NucleoCromatina

Nucleolo

Poro

Ribosomi

Reticolo endoplasmatico ruvido

Membrana nucleare a doppio strato

Il reticolo endoplasmatico ruvido dà origine a membrane e proteine

Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) ha due funzioni principali:

• ampliare l’estensione del sistema di membrane;

• assemblare le proteine destinate a essere secrete dalla cellula.

I ribosomi sulla superficie del reticolo endoplasmatico ruvido producono proteine che sono secrete dalla cellula, inserite nelle membrane o trasportate in vescicole ad altri organuli.

Vescicola di trasporto con all’interno una glicoproteina

4Vescicola di trasporto che si stacca

Catena glucidica

3

Reticolo endoplasmatico

Glicoproteina2Polipeptide

Ribosoma

1

Il reticolo endoplasmatico liscio svolge molteplici funzioni

Il reticolo endoplasmatico liscio (REL): • sintetizza i lipidi (acidi

grassi, fosfolipidi, steroidi);

• demolisce le tossine e i farmaci nelle cellule del fegato;

• immagazzina e rilascia ioni calcio nelle cellule muscolari.

Reticolo endoplasmatico liscio

Reticolo endoplasmatico ruvido

Involucro nucleare

RibosomiReticolo endoplasmatico liscio

TE

M 4

5 00

0

Reticolo endoplasmatico ruvido

L’apparato di Golgi rielabora, seleziona e trasporta i prodotti cellulari

L’apparato di Golgi è composto da sacchetti appiattiti impilati uno sull’altro che ricevono e modificano i prodotti del reticolo endoplasmatico e li trasportano ad altri organuli o sulla superficie della cellula (per essere espulsi).

Figura 4.10

Apparato di Golgi

TE

M 1

30 0

00

Vescicola di trasporto prodottadall’apparato di Golgi

Lato «di uscita» dell’apparato di Golgi

Apparato di Golgi

Lato «d’ingresso» dell’apparato di Golgi

Vescicola di trasporto proveniente dal reticolo

Nuova vescicola in formazione

Apparato di GolgiMembrana plasmatica

Sostanze nutritive

Vacuolo alimentare

Lisosomi

Digestione

Introduzione delle particelle

Vescicola di trasporto (contenente enzimi idrolitici inattivi)

Reticolo ruvido

Il lisosoma ingloba l’organulo danneggiato

I lisosomi demoliscono le sostanze alimentari e di rifiuto delle cellule

2

54

3

1

• I lisosomi svolgono diversi tipi di funzioni digestive.

• I lisosomi sono costituiti da enzimi digestivi (idrolitici) chiusi in un sacchetto circondato da membrane.

Nei globuli bianchi i lisosomi distruggono i batteri nocivi che sono stati ingeriti.

Lisosoma

Nucleo

TE

M 8

500

I lisosomi sono anche il centro di riciclaggio degli organuli danneggiati.

TE

M 4

2 50

0

Due organuli danneggiati all’interno del lisosoma

Frammento di mitocondrio

Frammento di perossisoma

Figura 4.10C

I vacuoli mantengono costante l’ambiente cellulare

Le cellule vegetali contengono un grande vacuolo centrale che ha funzioni lisosomiali e di riserva.

Cloroplasto

Vacuolo centrale

NucleoC

olor

izza

ta T

EM

8 7

00

Alcuni protisti hanno vacuoli contrattili che pompano all’esterno l’acqua in eccesso.

LM 6

50

Nucleo

Vacuoli contrattili

I cloroplasti trasformano l’energia solare in energia chimica

I cloroplasti, che si trovano nelle piante e in alcuni protisti, convertono l’energia solare in energia chimica, immagazzinandola negli zuccheri.

Sono dotati di membrane interne chiamate tilacoidi o membrane tilacoidali accumulate in strutture chiamate grani (granum, grana)

TE

M 9

750

Cloroplasto

Stroma

Spazio tra le membrane

Membrana interna ed esterna

Grano

Figura 4.13

I cloroplasti e i mitocondri, convertitori di energia

I mitocondri convertono l’energia chimica presente negli alimenti in energia utilizzabile dalla cellula

Mitocondrio

Membrana esterna

Spaziointermembrana

Matrice

Membrana interna

Creste

TE

M 4

4 88

0

Nei mitocondri avviene la respirazione cellulare che converte l’energia chimica degli alimenti in energia chimica di una molecola di ATP (adenosina trifosfato), la principale fonte di energia per il lavoro cellulare.

Il citoscheletro e le strutture ad esso correlate

Lo scheletro delle cellule è costituito da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi

Il citoscheletro è costituito da una rete di fibre proteiche di sostegno.

Subunità di actina

Microfilamento

7 nm

Subunità fibrosa

10 nm

Filamento intermedio Microtubulo

25 nm

Subunità di tubulina

• I microfilamenti di actina permettono alle cellule di cambiare forma e di muoversi.

• I filamenti intermedi rinforzano la cellula e tengono bloccati alcuni organuli.

• I microtubuli conferiscono rigidità alla cellula e svolgono funzione di ancoraggio per gli organuli e di guida per i loro movimenti.

Le ciglia e i flagelli si muovono flettendo i microtubuli

Le ciglia e i flagelli sono appendici locomotorie di alcune cellule eucariotiche.

LM

60

0

Co

loriz

zata

SE

M 4

10

0

Figura 4.16A Figura 4.16B

Nelle ciglia e nei flagelli, gruppi di microtubuli hanno funzione di sostegno e consentono il movimento ondeggiante tipico di questi organuli.

FlagelloFotografie al microscopio elettronico di sezioni trasversali

Flagello

Corpo dorsaleCorpo basale (strutturalmente identico al centriolo)

TE

M 2

06 5

00

TE

M 2

06

500

Membrana plasmatica

Braccia di dineina

Braccia radiali

Microtubuli centrali

Coppia di microtubuli esterni

Superfici e giunzioni cellulari4.17 Le pareti supportano le cellule e le

giunzioni ne consentono l’attività coordinata nei tessuti

• Gli eucarioti sono per la maggior parte organismi pluricellulari, in cui le cellule si devono coordinare per costituire un unico organismo.

• Le cellule interagiscono tra di loro e con il loro ambiente attraverso la loro superficie.

• Le cellule vegetali sono sostenute da pareti cellulari rigide fatte per la maggior parte di cellulosa.

• Tra due cellule vegetali adiacenti si trovano numerosi canali (plasmodesmi), ovvero giunzioni cellulari che formano un sistema di comunicazione all’interno dei tessuti

vegetali. Pareti di due cellule vegetali adiacenti

Membrana plasmatica

Citoplasma

Plasmodesmi

Vacuolo

Strati di una parete di cellula vegetale

• Le cellule animali sono prive di pareti cellulari rigide ma la maggior parte di esse secerne uno strato appiccicoso di glicoproteine, la matrice extracellulare.

• La matrice tiene unite le cellule nei tessuti.

Gli organuli eucariotici e le loro funzioni: un riepilogo