La cellula procariota ed eucariota, Sintesi del corso di Biologia

Scarica La cellula procariota ed eucariota e più Sintesi del corso in PDF di Biologia solo su Docsity! LA CELLULA La cellula è la più piccola parte di un organismo capace di esprimere tutte le proprietà vitali dell’organismo stesso. Queste proprietà si traducono in: • Metabolismo • Motilità • Adattamento all’ambiente • Riproduzione L’individualità morfologica e funzionale della cellula è dimostrata dall’esistenza di organismi unicellulari, costituiti da una singola cellula capace di vita autonoma e da singole cellule prelevate da organismi pluricellulari (colture in vitro) che possono adattarsi ad ambienti artificiali nei quali svolgono le proprie attività metaboliche accrescendosi, presentando attività motoria e riproducendosi. COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA CELLULA Gli elementi chimici che si trovano in natura sono: • Carbonio (C) • Ossigeno (O) • Azoto (N) • Idrogeno (H) • Zolfo (S) • Fosforo (P) Alcuni cationi (K+, Na+, Ca++, Mg++) e anioni (Cl -, HCO3-, H2PO4-, SO4--) entrano in gioco, sostenendo funzioni cellulari dell’organismo di rilevante importanza (contrazione muscolare, catalisi enzimatica) Pochi elementi, principalmente metalli si trovano in piccole dosi ma svolgono importanti funzioni catalitiche per le attività metaboliche (Mn, Fe, Co, Cu, Mo, I, Br, V, Al, Se). Componenti chimici della cellula possono essere classificati in: • INORGANICI: acqua e sali minerali • ORGANICI: glucidi, lipidi, proteine, acidi nucleici, precursori, prodotti metabolici, vitamine e ormoni Il protoplasma delle cellule animali e vegetali è costituito per il 75-85% da acqua e per il resto da molecole organiche di vario tipo (1% Sali minerali) I COMPONENTI INORGANICI: L’ACQUA Nella cellula l’acqua è presente sotto due forme: • Acqua libera: 95% del tot. (solvente e mezzo disperdente per le macromolecole) • Acqua legata: 5% del tot. (legata alle proteine) • Acqua esogena: che gli organismi introducono come tale o negli alimenti • Acqua endogena: rappresentata da quelle molecole che si possono formare come prodotto di un processo metabolico I COMPONENTI INORGANICI: I SALI MINERALI I sali si trovano quasi sempre in forma ionizzata sono importanti per la regolazione dell’equilibrio ionico, di quello osmotico e per l’equilibrio acido- basico. I più comuni nelle cellule sono: sali di calcio, sali di magnesio, sali di potassio e sali si calcio. I COMPONENTI ORGANICI • LIPIDI • GLUCIDI • PROTIDI • ACIDI NUCLEICI Comprendono composti macromolecolari da cui dipendono le proprietà strutturali della cellula. Le macromolecole sono formate da unità che si ripetono e che sono legate fra loro da legami covalenti. Queste unità sono dette monomeri e la macromolecola che ne risulta è un polimero. Polimerizzazione: processo di unione dei monomeri Si parla di omopolimeri quando la macromolecola deriva dall’associazione di monomeri identici (glicogeno) e di eteropolimeri quando la macromolecola risulta formata dalla combinazione di due o più specie molecolari diverse (proteine, acidi nucleici). Le cellule sono i mattoni della vita e alcune caratteristiche della vita come la complessità chimica, la crescita, la riproduzione, la capacità di riadattare sostanze provenienti dall’ambiente, la capacità di introdurre ed espellere sostanze dall’organismo, sono tutte presenti nelle cellule. La TEORIA CELLULARE è un importante principio unificante della biologia che si basa su alcuni enunciati primari: 1. La cellula è l’unità fondamentale della vita 2. Tutti gli organismi viventi sono composti da cellule 3. Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti 4. L’evoluzione attraverso la selezione naturale spiega la diversità delle cellule attuali I biologi classificano tutti gli esseri viventi in tre domini: archei, batteri ed eucarioti. Gli organismi compresi in archei e batteri sono chiamati collettivamente procarioti. CELLULA PROCARIOTA Le cellule procariotiche sono le più piccole e le più semplici cellule esistenti; hanno un diametro o una lunghezza che varia da 1 a 10 micrometri. In genere una cellula procariotica non ha ripartizioni interne (organelli) ed è priva di un nucleo (il materiale genetico consiste in una singola molecola di DNA circolare che si trova localizzata in una regione della cellula detta nucleoide). Queste sono le caratteristiche che la differenziano da una cellula eucariotica, le quali presentano compartimenti delimitati da membrane chiamati organuli Tutte le cellule procariotiche hanno la stessa struttura di base: • MEMBRANA PLASMATICA: consiste in un doppio strato fosfolipidico nel quale sono inserite varie proteine molto sottile che forma la superficie esterna di ogni cellula. Racchiude, quindi, la cellula e ne separa l’interno dall’ambiente esterno. Svolge molte funzioni importanti: 1. Agisce come barriera selettivamente permeabile, ostacolando il passaggio di alcune sostanze e lasciandone altre entrare ed uscire. Oltre alle dimensioni ci sono altri fattori (in particolare la polarità) che determinano la capacità di una molecola di attraversare la membrana plasmatica; essa è composta per la maggior parte di acidi grassi idrofobici, quindi le molecole apolari la attraversano più facilmente di quelle polari o dotate di carica elettrica 2. Consente alla cellula di mantenere un ambiente interno più o meno costante (omeostasi) 3. Facendo da confine con l’ambiente esterno, la membrana plasmatica è importante nella comunicazione con le cellule vicine e nella ricezione dei segnali dall’ambiente 4. Svolge un importante suolo strutturale e contribuisce alla forma della cellula • NUCLEOIDE: è una zona della cellula in cui è situato il DNA, ovvero il materiale ereditario che controlla la crescita, il mantenimento e la riproduzione della cellula • CITOPLASMA: il resto del materiale racchiuso nella membrana plasmatica si chiama citoplasma. È costituito da una componente liquida, detta citosol, da filamenti insolubili e da particelle di vario tipo, tra cui i ribosomi che sono le più abbondanti • CITOSOL: è composto prevalentemente da acqua contenente una certa concentrazione di ioni in soluzione, piccole molecole e macromolecole solubili come le proteine Funzionalmente l'eucromatina è geneticamente attiva, vale a dire contiene geni che vengono trascritti in RNA 2. Eterocromatina è la cromatina che si colora intensamente, questo avviene perché la regione di cromatina implicata è più condensata dell’eucromatina. L'eterocromatina è geneticamente inattiva, perché non contiene geni o perché i geni in essa contenuti non possono essere espressi Esistono due classi di eterocromatina: • L'eterocromatina costitutiva è geneticamente inattiva, un esempio è rappresentato dell'eterocromatina dei centromeri e dei telomeri • L'eterocromatina facoltativa è la cromatina che ha la potenzialità di condensarsi allo stato eterocromatico L'eterocromatina è localizzata in uno strato subito al di sotto della membrana nucleare e attorno al nucleo. Nel nucleo, inoltre, sono contenuti uno o più NUCLEOLI; contengono dal 10 al 20% dell’RNA cellulare che partecipano nell’assemblare le subunità ribosomiali da uno specifico RNA e particolari proteine. Sono particolari strutture in cui vengono sintetizzati gli RNA ribosomiali e assemblati i ribosomi. A ridosso della membrana interna dell’involucro nucleare si trova la LAMINA NUCLEARE, una rete di filamenti proteici intermedi, che interagisce con la cromatina e assicura il supporto della membrana alla quale è collegata (assicura la forma del nucleo perché è collegata sia alla cromatina che all’involucro nucleare). All’esterno del nucleo, la membrana esterna dell’involucro nucleare, forma delle anse che si protendono nel citoplasma per poi continuare nel reticolo endoplasmatico. IL SISTEMA DI ENDOMEMBRANE Gran parte del volume di alcune cellule eucariotiche è occupato da un vasto sistema di endomembrane. Si tratta di un sistema interconnesso di compartimenti delimitati da membrane che comprende: la membrana plasmatica, l’involucro nucleare, il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi e i lisosomi. È stato osservato che i componenti delle membrane si spostano da un organulo all’altro entro il sistema di endomembrane; quindi, tutte queste membrane devono essere collegate dal punto di vista funzionale. IL RETICOLO ENDOPLASMATICO Il reticolo endoplasmatico è un sistema di membrane interconnesse che si diramano nel citoplasma formando tubi e sacche appiattite, dette cisterne e in generale è coinvolto nel trasporto di materiali attraverso la cellula Il sistema di membrane del reticolo endoplasmatico appare in continuità con l’involucro nucleare. Il suo compartimento interno, detto lume, è separato e distinto dal citoplasma circostante. Il reticolo endoplasmatico può occupare fino al 10% del volume interno della cellula e le sue pieghe lo portano ad avere una superficie molto più vasta di quella della membrana plasmatica. Ci sono due tipi di reticolo endoplasmatico: • Reticolo endoplasmatico ruvido (RER): è così chiamato per la grande quantità di ribosomi aderenti alla superficie esterna della membrana, che le conferiscono un aspetto ruvido al microscopio. I ribosomi legati alla membrana sono attivamente coinvolti nella sintesi delle proteine che verranno secrete nel citosol e inoltre: • Il RER accoglie nel suo lume alcune proteine appena sintetizzate, sotto la direzione di una specifica sequenza di amminoacidi, definita sequenza segnale (tra cui le proteine da esportare e quelle destinate ai lisosomi e alla membrana plasmatica), tenendole separate dal citoplasma • Mentre sono all’interne del RER le proteine subiscono delle modificazioni: formazione di ponti di solfuro, ripiegamenti (acquisizione della struttura terziaria), acquisizione di gruppi glicidici (la proteina stabilisce legami covalenti con gruppi carboidratici diventando così glicoproteine) • Le proteine vengono trasportate verso altre mete entro la cellula racchiuse in vescicole che gemmano dal RER • Reticolo endoplasmatico liscio (SER): è primo di ribosomi ed è organizzato sotto forma di tuboli intercomunicanti e vescicole. • All’interno del comparto del SER si svolgono processi biochimici che portano alle modifiche conformazionali delle molecole proteiche sintetizzate al livello del RER • Ha il compito di modificare chimicamente le piccole molecole assunte dalla cellula che potrebbero essere tossiche; le molecole che vanno incontro a tali modificazioni divengono più polari, quindi più solubili e facilmente eliminabili (detossificazione di materiali tossici) • È la sede della degradazione del glicogeno nelle cellule animali • È la sede della sintesi dei lipidi e degli ormoni steroidei • Immagazzina ioni di calcio che, una volta rilasciati, innesca numerose risposte cellulari, come la contrazione dei muscoli APPARATO DI GOLGI L’apparato di Golgi è costituito da due tipi di strutture: sacche membranose appiattite dette cisterne (saccuoli), che sono impilate l’una sull’altra e vescicole delimitate da membrana, chiamate vescicole golgiane. Le cisterne dell’apparato di Golgi hanno tre zone distinte per funzionare: una zona cis che si trova più vicino al nucleo o ad una zona del reticolo endoplasmatico, una zona trans, che si trova più vicina alla membrana plasmatica e una zona mediana compresa tra le due. In generale l’apparato di Golgi rappresenta un centro di raccolta, rielaborazione e smistamento dei prodotti del reticolo endoplasmatico. Funzione principale: modifica la composizione chimica delle proteine provenienti dal reticolo endoplasmatico rugoso e le orienta verso una specifica destinazione. • Le vescicole che contengono le proteine provenienti dal RER, si fondono alla membrana cis dell’apparato di Golgi liberando il proprio carico nel lume della cisterna • L’apparato di Golgi modifica chimicamente le proteine nel suo lume e vi mette “l’indirizzo” per farle arrivare a giusta destinazione • Le vescicole che gemmano dalla regione trans portano il loro contenuto al di fuori dell’apparato di Golgi: vanno alla membrana plasmatica, oppure ad un altro organulo del sistema di endomembrane, il lisosoma Inoltre: • L’apparato di Golgi rappresenta una stazione intermedia nel trasporto dei prodotti della secrezione proteica • È il luogo dove avviene l ’ elaborazione dei polisaccaridi e dei mucopolisaccaridi e dove avviene l’aggiunta di carboidrati alle proteine per la sintesi delle glicoproteine e dei proteoglicani • Nel “Golgi” avviene il rinnovamento delle membrane intracellulari e della membrana plasmatica • Il complesso del Golgi è la sede della formazione dei lisosomi e dell’acrosoma degli spermatozoi I LISOSOMI I lisosomi primari: hanno origine nell’apparato di Golgi e contengono e trasportano enzimi digestivi per l’idrolisi delle proteine, dei carboidrati, degli acidi nucleici e dei lipidi. I lisosomi sono circondati da un’unica membrana e sono caratterizzati da un pH interno molto acido. Una cellula può avere anche decine di lisosomi a seconda delle necessità. I lisosomi, quindi, sono i comparti nel quali le macromolecole vengono trasformate per idrolisi nei loro monomeri. Le sostanze nutritive che vengono assunte dalla cellula che vengono scomposte nei lisosomi, entrano nella cellula stessa attraverso un processo detto fagocitosi. In questo processo si forma una tasca nella membrana plasmatica che poi si estende fino a racchiudere i materiali all’esterno della cellula, da inglobare. La sacca diviene una vescicoletta, detta fagosoma, contenente nutrimento e altro materiale, che si distacca dalla membrana plasmatica e si sposta nel citoplasma. (un fagosoma quindi è un organulo che si forma con la fagocitosi e contiene alimenti o composti da degradare per via enzimatica, questo si fonde con un lisosoma primario distaccatosi dall’apparato del Golgi formando un lisosoma seondario). Il fagosoma si fonde con un lisosoma primario, dando origine al lisosoma secondario, nel quale avviene la digestione: infatti, gli enzimi nel lisosoma secondario idrolizzano velocemente le particelle nutritive. I prodotti della digestione attraversano la membrana del lisosoma, fornendo energia e materie prime per altri processi cellulari. Il lisosoma secondario “usato”, che contiene particelle non digerite, si muove poi verso la membrana plasmatica, si fonde con essa e libera il contenuto indigerito all’esterno. Per autofagia si intende la distribuzione programmata di componenti cellulari e sono i lisosomi la sede in cui le cellule demoliscono i loro stessi materiali. L’autofagia è molto importante, in quanto numerose malattie umane, dette sindromi da accumulo lisosomiale, sono causate dalla mancata digestione di specifici componenti della cellula da parte dei lisosomi. Queste malattie sono molto dannose o mortali. AUTOFAGIA: Processo attraverso il quale componenti della cellula vengono consegnati ai lisosomi per essere degradati. I MITOCONDRI Nella cellula vegetale grazie ai cloroplasti si compie la fotosintesi clorofilliana dalla quale l’energia solare viene immagazzinata in C6H12O6 e viene liberato ossigeno. Nella cellula animale nei mitocondri, si ha la formazione di un composto energetico: ATP che la cellula utilizza per le necessità energetiche con liberazione di CO2 e H2O. Nelle cellule eucariotiche, la scissione di molecole capaci di fornire energia, inizia nel citosol; le molecole risultanti da questa parziale scissione entrano nei mitocondri, la cui funzione principale consiste nell’accumulare l’energia chimica estratta dalle molecole in una forma che la cellula possa utilizzare, ossia ATP ossia una molecola ricca di energia. La produzione di ATP nei mitocondri, che impiega molecole combustibili e ossigeno molecolare (O2), è detta respirazione cellulare. I mitocondri, quindi, sono la sede della respirazione cellulare, dove di produce ATP mediante molecole ad elevato valore energetico e O2. I mitocondri possiedono due membrane: una membrana esterna (liscia) con funzioni protettive, che presenta larghi pori e può essere attraversata dalla maggior parte delle sostanze e una membrana interna che presenta numerose pieghe che si estroflettono formando le cosiddette creste mitocondriali, che separa i processi biochimici che avvengono nel mitocondrio dal citosol. Lo spazio racchiuso dalla membrana interna è noto come matrice mitocondriale; contiene enzimi, ribosomi e DNA, responsabili della sintesi di alcune proteine enzimatiche necessarie alla respirazione cellulare. Sono organelli semiautonomi: possiedono un proprio DNA (semicircolare) e si dividono per scissione binaria. Esistono molti altri organuli le cui membrane di contorno separano dal citoplasma particolari contenuti e reazioni chimiche specializzate: I PEROSSIOSOMI Sono organuli circondati da singola membrana e derivando dal reticolo endoplasmatico rugoso.