Biologia cellulare: Struttura e funzione

Le Cellule

• Contengono acqua e circa 10.000 tipi diversi di biomolecole necessarie alla sopravvivenza.
• Possono variare nel diametro da minuscole a grandi, tra 1 e 100 nm.
• Il volume cellulare determina il livello di funzionalità (più grande = più attività).
• La superficie cellulare determina la quantità di sostanze che può scambiare con l'esterno.
• Il rapporto tra superficie e volume è adeguato ma non lineare; l'aumento del volume non comporta un aumento proporzionale della superficie, rendendo le cellule piccole più efficienti a causa della maggiore superficie.

Modello a Mosaico Fluido della Membrana Cellulare

• La struttura di base della membrana cellulare è definita modello a mosaico fluido.
• È formata da un doppio strato di fosfolipidi con diverse proteine immerse.

Fosfolipidi

• Hanno una regione idrofila (testa) legata a molecole polari, come l'acqua.
• Possiedono una regione idrofobica (coda) costituita da lunghe catene apolari che interagiscono tra loro, insolubili in acqua e non legabili a sostanze idrofile.
• In ambiente acquoso, si dispongono in un doppio strato con le code idrofobiche all'interno e le teste idrofile all'esterno, a contatto con l'acqua.

Proteine di Membrana

• Integrali: immerse nel doppio strato fosfolipidico, con parti sia idrofobiche che idrofile.
• Periferiche: situate su un solo lato della membrana, con porzioni polari neutre che interagiscono con altre molecole polari.
• I carboidrati sono presenti sulla superficie esterna per l'identificazione e l'adesione tra cellule.
• I lipidi conferiscono stabilità e fluidità alla membrana.
• Le membrane possono variare nella composizione anche all'interno della stessa cellula, subendo modificazioni chimiche a contatto con determinati organuli.

Cellula Procariote

• Archi e Batteri sono esempi di cellule procariote.
• Possiedono una membrana plasmatica che racchiude il citoplasma (citosol + particelle insolubili).
• Nel citoplasma è presente una zona precisa chiamata nucleoide, dove si trovano il DNA e ribosomi, sedi della sintesi proteica.
• Alcuni procarioti possiedono strutture specializzate sviluppatesi nel corso dell'evoluzione.
• Parete cellulare: fornisce sostegno e forma alla cellula.
• Capsula: preserva e protegge la cellula batterica dagli attacchi del sistema immunitario.
• Membrane interne (nei cianobatteri): contengono i cloroplasti.
• Plastidi: sedi della fotosintesi, variano in forma e dimensione.
• Possiedono due membrane esterne, una molecola di DNA circolare, e membrane interne chiamate grani formate da tilacoidi, che contengono la clorofilla e sono sospesi in un liquido chiamato stroma (con DNA e ribosomi).
• Citoscheletro: filamenti proteici coinvolti nella divisione cellulare e nel mantenimento della struttura 3D della cellula.
• Flagelli: responsabili dello spostamento della cellula.
• Pili: consentono l'adesione dei batteri tra loro o con cellule animali.

Cellula Eucariote

• Funghi, animali, piante e protisti sono esempi di eucarioti.
• Possiede membrana plasmatica e citoplasma.
• Nucleo: sede della replicazione del DNA, avvolto dall'involucro nucleare (doppia membrana separata da 10-20 nm).
• I pori nucleari (circa 3500) permettono il traffico di molecole (ioni e proteine con sequenze amminoacidiche specifiche).
• Contiene diverse molecole di DNA unite a proteine formando la cromatina (poi cromosomi) e il nucleolo (assemblaggio dei ribosomi).
• I ribosomi contengono rRNA e vengono assemblati nel nucleo, da cui escono per sintetizzare le proteine in base alle informazioni del DNA (traduzione) grazie all'mRNA.
• Organuli: compartimenti interni delimitati da membrane, contenenti enzimi (catalizzatori biologici).
• Diversi tipi di organuli:
  • Apparato di Golgi: elabora le proteine.
  • Vacuolo: riserva d'acqua.
  • Mitocondri: centrali energetiche.
  • Citoscheletro: muove e sostiene la cellula.
  • Reticolo endoplasmatico: coinvolto nella sintesi proteica.
  • Reticolo endoplasmatico liscio: responsabile della sintesi dei lipidi.

Componenti Specifici delle Cellule Animali e Vegetali

• Animale:
  • Centrioli: coinvolti nella divisione cellulare.
  • Lisosomi: degradazione delle sostanze.
• Vegetale:
  • Parete cellulare.
  • Cloroplasti.

Mitocondri

• Sede della respirazione cellulare, processo che utilizza ossigeno per demolire i nutrienti e produrre ATP (adenosintrifosfato).
• Formati da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato, la cui idrolisi libera energia per le reazioni cellulari.
• Hanno due membrane:
  • Esterna: liscia e protettiva, regola il passaggio di sostanze.
  • Interna: ripiegata in creste.
• La matrice mitocondriale contiene enzimi, DNA (per produrre proteine necessarie alla respirazione) e ribosomi.
• Sono ereditati dalla madre.

Reticolo Endoplasmatico (RE)

• Insieme di membrane interne connesse, con uno spazio interno chiamato lume.
• Ruvido (RER):
  • Regioni con ribosomi sulla parete esterna.
  • Sintetizzano e modificano chimicamente le proteine destinate all'esterno della cellula (proteine di secrezione).
• Liscio (REL):
  • Struttura più tubolare.
  • Attività dovute agli enzimi nella membrana: sintesi di lipidi, degradazione di sostanze tossiche, farmaci e pesticidi, idrolisi del glicogeno e accumulo di ioni calcio (Ca2+).

Apparato di Golgi

• Riceve e modifica le proteine del RER, le etichetta e le smista, sintetizzando polisaccaridi per le cellule vegetali.
• Le cisterne hanno tre zone:
  • Ingresso (vicino al nucleo e al RER): le vescicole contenenti proteine entrano.
  • Zona intermedia: le proteine proseguono dentro vescicole di trasporto.
  • Uscita: le proteine vengono impacchettate per essere espulse o integrate nella membrana (anche di altri organuli).

Lisosomi

• Vescicole di circa 1 µm con una singola membrana ed enzimi digestivi formati dal RE e maturati nell'apparato di Golgi.
• Degradano sostanze nutritive o corpi estranei assunti dalla cellula tramite fagocitosi.
• La cellula ingloba particelle esterne formando un vacuolo alimentare che si fonde con un lisosoma primario per formare un lisosoma secondario dove avviene la digestione; i prodotti si diffondono fornendo le materie prime necessarie mentre i residui espulsi. Distruggono batteri nocivi nei globuli bianchi e svolgono autofagia,degradano organuli vecchi o danneggiati per riciclane i componenti la struttura ha compartmenti che isolano gli enzimi dal citoplasma.

Perossisomi

• Piccoli organuli granulari con enzimi che degradano perossidi tossici.

Vacuoli

• Compartimenti cellulari pieni di soluzioni acquose, circondati da membrana.
• Nelle cellule vegetali immagazzinano sostanze di scarto, regolano la pressione interna, contengono pigmenti per attirare impollinatori e rilasciano enzimi per digerire le riserve nutritive (accumulo,sostegno,riproduzione,digestione).

Citoscheletro

• Formato da tre tipi di fibre:
  • Microfilamenti:
    • Polimeri della proteina contrattile actina.
    • Mantengono la forma della cellula, responsabili del movimento e contrazione muscolare.
  • Filamenti intermedi:
    • Proteine fibrose organizzate in robuste strutture a corda.
    • Stabilizzano la forma delle cellule e aiutano a tenere unite due cellule vicine.
  • Microtubuli:
    • Molte molecole della proteina tubulina determinano la lunghezza.
    • Formano uno scheletro interno rigido.
    • Fungono da binari per le proteine motrici e spostano i cromosomi durante la divisione cellulare.

Ciglia e Flagelli

• Appendici mobili della cellula, costituite da microtubuli.
• Ciglia: gran numero.
• Flagelli: soli o in coppia.

Adesione tra le Cellule e le Strutture Extracellulari

• Il raggruppamento delle cellule in tessuti avviene tramite riconoscimento cellulare, che consente alle cellule di legarsi solo a quelle dello stesso tipo.
• L'adesione tra cellule rinforza le connessioni. Questi processi dipendono dalle proteine della membrana plasmatica e portano alla formazione di giunzioni cellulari:
  • Giunzioni occludenti:
    • Legame tra proteine specifiche della membrana plasmatica, sigillano gli spazi tra le cellule.
    • Impediscono ad alcune sostanze di penetrare tra una cellula e l'altra e delimitano le parti della membrana che hanno funzioni diverse.
  • Giunzioni comunicanti:
    • Canali proteici che attraversano le membrane plasmatiche di due cellule vicine.
    • Consentono di comunicare e il veloce spostamento di ioni e micromolecole da una cellula all'altra.
  • Desmosomi:
    • Uniscono le membrane plasmatiche di due cellule adiacenti, tramite proteine di adesione che attraversano la membrana, permettendo il passaggio di sostanze attraverso lo spazio intercellulare e garantendo grande resistenza.
    • All'interno c'è una struttura densa chiamata placca, la quale si lega a proteine di adesione che sporgono all'esterno fino a collegarsi a quelle della cellula adiacente nello spazio intercellulare; si lega anche ai filamenti del citoscheletro.

Strutture Esterne delle Cellule

• Parete cellulare: Struttura semirigida di fibre di cellulosa immerse in proteine e polisaccaridi complessi. Attraversata da canali chiamati plasmodesmi che la mettono in connessione con le cellule vicine. Sostiene le cellule vegetali, le protegge dalle infezioni e mantiene la forma della pianta.
• Matrice extracellulare:
  • Proteine fibrose (collagene) + matrice di glicoproteina + proteoglicani (gelatinose/catene polisaccaridiche) + proteine che tengono insieme.
  • Circonda le cellule, sostiene le funzioni dei tessuti, filtra i materiali tra tessuti, tiene unite le cellule di un tessuto, guida i movimenti cellulari nello sviluppo e rigenerazione e facilita la comunicazione tra cellule.

Esplora le strutture e le funzioni delle cellule. Approfondisci i desmosomi, le giunzioni comunicanti, le pareti cellulari e la matrice extracellulare. Scopri il ruolo degli organelli come i tilacoidi, i cloroplasti e il nucleo.