La cellula - Struttura e Funzioni (2023-24) PDF

ANNO ACCADEMICO 2023-24 CORSO DI STRUTTURA E MORFOLOGIA DEL CORPO UMANO BIOLOGIA E GENETICA Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sens...

ANNO ACCADEMICO 2023-24 CORSO DI STRUTTURA E MORFOLOGIA DEL CORPO UMANO BIOLOGIA E GENETICA Attenzione! Questo materiale didattico è per uso personale dello studente ed è coperto da copyright. Ne è severamente vietata la riproduzione o il riutilizzo anche parziale, ai sensi e per gli effetti della legge sul diritto d’autore (L. 22,04,1941/n, 633)  Biologia Titolare: Dott.ssa Deborah Chiabrando Centro di Biotecnologie Molecolari Via Nizza 52 Email: [email protected] Per brevi colloqui sono disponibile qualche minuto dopo le lezioni oppure SOLO su appuntamento, in via Nizza 52 Organizzazione del corso: Lezioni frontali Esercitazioni di genetica  Programma del corso Biologia: Biologia cellulare: La struttura della cellula eucariota: la membrana plasmatica: i fosfolipidi e le proteine di membrana; il reticolo endoplasmatico; i lisosomi; i mitocondri; il nucleo; il citoscheletro Il trasporto delle molecole e dell'informazione: le membrane cellulari regolano il passaggio delle sostanze e la captazione degli stimoli ambientali Genetica molecolare: Struttura e duplicazione del DNA L'espressione genica: la trascrizione dell'RNA; struttura e funzione di RNA ribosomale, RNA di trasferimento e RNA messaggero. Il codice genetico. La traduzione. Genetica generale: La struttura dei cromosomi Le fasi della mitosi e della meiosi e il comportamento dei cromosomi Le prima e la seconda legge di Mendel I caratteri dominanti, recessivi e legati al sesso I diversi tipi di mutazioni e loro conseguenze biologiche  Testi consigliati Biologia: - Solomon, Berg & Martin. Elementi di Biologia. Edises - Savada, Heller, Orian et al. Elementi di biologia e genetica Vol I e II (L’esredit‡ e il genoma). Zanichelli - Campbell, Reece & Simon. L’essenziale di biologia. Pearso/Benjamin Cummings ed. Materiale Didattico MOODLE  ESAME Prova scritta Domande con domande aperte, risposte multiple ed esercizi di genetica. Richiesto tutto il programma svolto a lezione più un po’ di logica. Per avere voti alti si richiede, oltre a buone conoscenze, capacità di ragionamento, collegare gli argomenti, ecc. Il voto finale sarà una media del voto di Biologia con il voto di Anatomia e di Biochimica. Dovete avere una media superiore al 18 e non potete prendere meno di 18 in uno dei tre moduli per entrare a fare la media. Conserveremo i voti dei singoli moduli per 1 anno accademico.  Studenti e studentesse con Disabilità o Disturbi Specifici di Apprendimento DSA Devono informarci relativamente alle loro necessità con un mese di preavviso rispetto la data dell’esame, mettendo in copia l’indirizzo di posta elettronica dell’ufficio competente ([email protected]) in modo da consentirci di fornire una modalità adeguata dello svolgimento dell’esame. Non fornire informazioni mediche private al docente! Altre informazioni in merito sono reperibili sul sito di unito dal link: Supporto agli studenti con DSA per sostenere gli esami | Università di Torino (unito.it). https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse- con-disturbi-specifici-di-apprendimento-dsa  STRUTTURA E MORFOLOGIA DEL CORPO UMANO BIOLOGIA LA STRUTTURA CELLULARE  INDICE 1. Come si osservano e studiano le cellule? Microscopia ottica Microscopia elettronica 2. Tipologia di cellule e loro struttura Cellule procariotiche Cellule eucariotiche (animali e vegetali)  LA CELLULA LA TEORIA CELLULARE (1) La più piccola unità di un organismo capace di svolgere tutte le attività vitali (2) Tutte le cellule derivano da altre cellule L’organizzazione delle cellule permette il mantenimento dell’OMEOSTASI La cellula: un problema dimensionale Metodi per lo studio delle cellule: Il Microscopio Ottico  Metodi per lo studio delle cellule: Il Microscopio Ottico Nel microscopio ottico la luce visibile passa sia attraverso il campione che attraverso le lenti. La luce viene rifratta dalle lenti ingrandendo l’immagine. INGRANDIMENTO: rapporto tra le dimensioni dell’immagine vista al microscopio e quelle effettive dell’oggetto. RISOLUZIONE (o POTERE RISOLUTIVO): distanza tra due punti necessaria affinchè possano essere distinti l’uno dall’altro anziché apparire come un’unica massa.  Dal punto di vista del Microscopio Ottico Osservazione di cellule fissate e colorate Colorazione May- Grunwald Giemsa è una colorazione differenziale per differenziare i globuli rossi e i leucociti Anemia falciforme Diversi tipi di microscopia ottica Dal punto di vista del Microscopio Ottico Osservazione cellule vive, trasparenti, non colorate Cellula eucariotica Cellula procariotica 10–30 µm 1–10 µm  Dal punto di vista del Microscopio Ottico MICROSCOPIA A FLUORESCENZA Nucleo Mitocondri L’utilizzo di coloranti o proteine fluorescenti permette di analizzare le struttura cellulari o la localizzazione delle proteine.  Metodi per lo studio delle cellule: Il Microscopio Elettronico http://css.sfu.ca/sites/nano/equipment/img/transmission-electron-microscope.jpg  Metodi per lo studio delle cellule: Il microscopio elettronico a trasmissione Sezioni ultrasottili da 50 a 100nm, tagliando con una lama di vetro o diamante le cellule o i tessuti inglobati in resina Un raggio di elettroni è trasmesso attraverso il campione. Gli elettroni che passano sono utilizzati per impressionare una lastra fotografica. L’area del campione, che blocca gli elettroni, appare più scura. Colorando l’immagine del campione con colori artificiali si può aumentare la qualità dell’immagine.  Dal punto di vista del Microscopio Elettronico a Trasmissione Con il microscopio elettronico a trasmissione si può osservare e studiare l’ultrastruttura cellulare.  Diversi tipi di microscopia elettronica Microscopio elettronico a scansione Il campione è rivestito da un sottile strato di oro o di un altro metallo. Gli elettroni sono respinti dalla superficie del campione. Vengono emessi degli elettroni secondari la cui intensità varia al variare dei contorni della superficie. Fornisce un immagine tridimensionale del campione  Diversi tipi di microscopia elettronica Microscopio elettronico a scansione Con il microscopio elettronico a trasmissione si può osservare e studiare le caratteristiche della superficie cellulare e delle strutture annesse Metodi per lo studio delle cellule Riassunto  Metodi per lo studio delle cellule OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO ✓ Descrivere le tecniche di microscopia usate dai biologi per studiare le cellule ✓ Evidenziare le applicazioni di ciascuna tecnica microscopica  Domanda 1 Quale di queste affermazioni è vera riguardo la microscopia ottica? a) Utilizza elettroni per l'osservazione dei campioni b) Permette di osservare campioni viventi c) Ha una risoluzione maggiore rispetto alla microscopia elettronica d) Richiede sempre la fissazione e colorazione del campione  Please download and install the Slido app on all computers you use Quale di queste affermazioni è vera riguardo la microscopia ottica? ⓘ Start presenting to display the poll results on this slide.  Domanda 2 Qual è la differenza principale tra un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e un microscopio elettronico a scansione (SEM)? a) Il TEM utilizza luce visibile mentre il SEM utilizza elettroni b) Il TEM osserva superfici mentre il SEM osserva sezioni interne c) Il TEM permette di vedere sezioni ultrasottili, il SEM osserva superfici d) Il SEM ha una risoluzione maggiore del TEM Qual è la differenza principale tra un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) e un microscopio elettronico a scansione (SEM)? ⓘ Start presenting to display the poll results on this slide.  Diversi tipi di cellule PROCARIOTI Batteri e Archeobatteri EUCARIOTI Unicellulari Pluricellulari Dimensioni e forma sono adattate alle loro funzioni  LE CELLULE PROCARIOTICHE Batteri e Archeobatteri  LE CELLULE PROCARIOTICHE SOLO CON L’AVVENTO DELLA MICROSCOPIA ELETTRONICA, NEGLI ANNI ’50 DEL SECOLO SCORSO, E’ STATO POSSIBILE INDAGARE LA STRUTTURA DELLA CELLULA PROCARIOTE  LE CELLULE PROCARIOTICHE LE CELLULE PROCARIOTICHE SONO MOLTO PIU’ PICCOLE DELLE CELLULE EUCARIOTICHE  LE CELLULE PROCARIOTICHE 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. LE CELLULE PROCARIOTICHE CITOSOL (o citoplasma) E’ composto principalmente da acqua 80% + ioni, piccole molecole + macromolecole solubili (es. proteine, acidi nucleici, polisaccaridi di riserva come il glicogeno, lipidi di riserva). Ribosomi: diametro di 25nM → sintesi proteica → (più piccoli dei corrispondenti eucarioti) LE CELLULE PROCARIOTICHE NUCLEOIDE ✓ Regione cellulare che contiene il materiale genetico = DNA/cromosoma ✓ Il genoma dei procarioti generalmente è un singolo cromosoma circolare, a doppia elica. LE CELLULE PROCARIOTICHE MEMBRANA CELLULARE PARETE CELLULARE = peptidoglicano + membrana esterna: -all’esterno della membrana plasmatica -Fornisce sostegno -Contiene peptidoglicano = polimero di ammino zuccheri. -Ricoperta da una membrana esterna = fosfolipidi + polisaccaridi CAPSULA -Intorno alla parete cellulare -Composta principalmente da polisaccaridi -Funzione protettiva; da: sistema immunitario, disidratazione -Adesione -Virulenza  LE CELLULE PROCARIOTICHE Gram + Staphylococcus Micrococcus Lactococcus Lactobacillus Streptococcus Enterococcus Gram - -Specie Escherichia coli -Specie Yersinia pestis (responsabile della peste) -Specie Neisseria meningitidis (responsabile della meningite batterica)  LE CELLULE PROCARIOTICHE Gram + I batteri sono classificati sulla base della risposta alla colorazione di Gram Gram - Il cristalvioletto è un colorante con gruppi cationici; elevata affinità con la superficie delle cellule batteriche, carica negativamente. Il cristalvioletto reagisce con lo iodio del mordenzante, formando un complesso che precipita all’interno delle trabecolature della parete cellulare: più la parete è spessa, più essa tratterrà il complesso colorante.  LE CELLULE PROCARIOTICHE Alexander Fleming, 1928 batteriologo inglese La pennicillina è un antibiotico che interferisce con la sintesi di peptidoglicano, rendendo la parete cellulare fragile, inadeguata a proteggere la cellula. La pennicillina è quindi più efficace contro i batteri Gram+ LE CELLULE PROCARIOTICHE FLAGELLI E PILI Flagello: ruota intorno al suo asse; spinge in avanti la cellula Pili/Fimbrie: adesione tra batteri  LE CELLULE PROCARIOTICHE DIVERSI BATTERI UTILIZZANO FLAGELLI PER MUOVERSI Il flagello produce un movimento rotatorio che genera movimento rotatorio propulsivo  LE CELLULE PROCARIOTICHE I PROCARIOTI POSSONO ESSERE CLASSIFICATI SULLA BASE DELLA MORFOLOGIA COCCHI BACILLI SPIRILLI  LE CELLULE PROCARIOTICHE LE CELLULE BATTERICHE POSSONO ASSOCIARSI A FORMARE CATENELLE O AGGLOMERATI DI ALTRO TIPO  LE CELLULE PROCARIOTICHE ALCUNI BATTERI HANNO CAPACITA’ FOTOSINTETICHE L’apparato fotosintetico è situato in membrane interne che derivano da invaginazioni multiple del plasmalemma.  LE CELLULE PROCARIOTICHE MOLTI DEI PROCESSI METABOLICI DEI BATTERI SONO FONDAMENTALI PER LA VITA SULLA TERRA BATTERI AZOTO-FISSATORI VIVONO IN SIMBIOSI ALL’INTERNO DEI NODULI Ciclo dell’azoto RADICALI DELLE LEGUMINOSE  LE CELLULE PROCARIOTICHE ALTRI PROCESSI METABOLICI BATTERICI IMPORTANTI PER L’UOMO - Trasformazione dello zucchero ad alcool (fermentazione alcoolica: vino, birra, liquori) - Trasformazione dell’alcool ad acido (fermentazione acida: aceto, yogurt) - Decomposizione di molecole organiche (E. coli nell’intestino e utilizzata nel trattamento delle acque di scarico) - Produzione di sostanze utili all’organismo (vitamine: batteri endosimbionti intestinali) - Digestione della cellulosa (batteri endosimbionti intestinali) - Fotosintesi (cianobatteri)  LE CELLULE PROCARIOTICHE GLI ARCHEI SONO ANAEROBI OBBLIGATI E VIVONO IN HABITAT ESTREMI Regno dei procarioti in due regni: degli Archeobatteri e quello degli Eubatteri. Gli Archeobatteri comprendono pochi generi di procarioti la cui caratteristica più evidente: 1) è l’assenza di peptidoglicano nella parete cellulare 2) la capacità di vivere in ambienti estremi che somigliano alle condizioni presenti e diffuse sulla Terra primordiale quali -Termofili estremi: sono obbligati a temperature superiori a 55°C, a pH molto bassi (0.9, 2.0). -Metanogeni: producono metano per riduzione di CO2. -Alofili: vivono in ambienti estremamente salati.  LA CELLULA EUCARIOTICA  LA CELLULE EUCARIOTICA ANIMALE Caratteristiche: 1. Nucleo e Organelli 2. Citoscheletro  SISTEMA DI ENDOMEMBRANE Sistema di endomembrane = membrane interne che delimitano diversi compartimenti: Nucleo Reticolo endoplasmatico Complesso del Golgi Lisosomi Vescicole Vacuoli FUNZIONE: delimitare uno spazio interno che permetta: Localizzare attività cellulari in spazi definiti Favorire reazioni (enzimi e substrati vicini) Separare reagenti particolarmente reattivi Permettere più attività contemporanee Membrane= superfici di lavoro cellulare Immagazzinare energia  LE CELLULE EUCARIOTICHE NELLE CELLULE EUCARIOTICHE IL MATERIALE GENETICO È RACCHIUSO ENTRO IL NUCLEO Nelle cellule eucariotiche le molecole di DNA sono lineari e molto lunghe LE CELLULE EUCARIOTICHE NUCLEO (2) -Diametro di circa 5 µm -Circondato da due membrane = cisterna perinucleare (due membrane separate da uno spazio e attraversate da pori nucleari) -Contiene il materiale genetico della cellula, e le molecole di DNA sono organizzati in complessi DNA-proteine = cromatina. -Sede della duplicazione del DNA -Controllo genetico sulle attività cellulari  Pori nucleari Lamina nucleare LE CELLULE EUCARIOTICHE NUCLEOLO (1) - Struttura più densa all’interno del nucleo - Sede della sintesi dell’RNA ribosomiale e dell’assemblamento dei ribosomi - Continuità con reticolo endoplasmatico rugoso UNO O PIÙ NUCLEOLI POSSONO TROVARSI ENTRO IL NUCLEO. AL LORO LIVELLO SI FORMANO I PRECURSORI DEI RIBOSOMI  LE CELLULE EUCARIOTICHE IL SISTEMA MEMBRANOSO INTERNO (SISTEMA DI ENDOMEMBRANE) DELLE CELLULE EUCARIOTI INDIVIDUA UNA SERIE DI ORGANELLI CITOPLASMATICI - IL RETICOLO ENDOPLASMATICO - IL COMPLESSO DI GOLGI - I LISOSOMI - I PEROSSISOMI - I MITOCONDRI - I CLOROPLASTI (SOLO NELLE CELLULE VEGETALI) - I VACUOLI La cellula eucariotica: Il reticolo endoplasmatico - Reticolato di membrane connesse tra loro organizzate a formare strutture tubulare e cisterne appiattite; - spazio interno al RE = lume - liscio(8)/rugoso(5) - rugoso: presenza di ribosomi; sintesi delle proteine. - liscio: privo di ribosomi; processi metabolici: sintesi dei lipidi e steroidi, metabolismo dei carboidrati=idrolisi del glicogeno, regolazione delle concentrazioni di Ca2+, detossificazione di farmaci; modifica delle proteine sintetizzate nel rugoso  Il reticolo endoplasmatico (RE) RUGOSO IL RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO PORTA RIBOSOMI ASSOCIATI AL VERSANTE CITOPLASMATICO DELLE MEMBRANE  La cellula eucariotica: RIBOSOMI RIBOSOMI SONO COMPLESSI MACROMOLECOLARI (12 X 25 nm), FORMATI DA RNA E PROTEINE, LIBERI NEL CITOPLASMA O ASSOCIATI AL SISTEMA MEMBRANOSO INTERNO, A LIVELLO DEI QUALI AVVIENE LA SINTESI DELLE PROTEINE I RIBOSOMI POSSONO ESSERE: - LIBERI - ASSOCIATI AL SISTEMA DI MEMBRANE INTERNE (reticolo endoplasmatico) Il reticolo endoplasmatico (RE) liscio FUNZIONI: -sede di sintesi di lipidi (fosfolipidi, colesterolo) e di carboidrati -sede di sintesi di ormoni dal colesterolo -nelle cell adipose, immagazzinamento di triacilgliceroli (riserva) - Contiene enzimi in grado di degradare sostanze tossiche (alcol,droghe) IL RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO È ABBONDANTE IN CELLULE IMPEGNATE NELLA SINTESI DI LIPIDI  La cellula eucariotica: Apparato di Golgi È FORMATO DA UNA SERIE DI CISTERNE MEMBRANOSE APPIATTITE, CON I MARGINI DILATATI, IMPILATE LE UNE SOPRA LE ALTRE. Strutture appiattite dette cisterne e vescicole delimitate da membrana. FUNZIONI: -Riceve le proteine dal RE →modificazione - raccolta--- segregazione--- smistamento (vescicole)  LE PROTEINE PRODOTTE DAL RETICOLO ENDOPLASMATICO PASSANO ATTRAVERSO IL COMPLESSO DI GOLGI PRIMA DI RAGGIUNGERE LA DESTINAZIONE FINALE La cellula eucariotica  La cellula eucariotica: LISOSOMI I LISOSOMI SONO VACUOLI CONTENENTI ELEVATE CONCENTRAZIONI DI ENZIMI DIGESTIVI, PRODOTTI DAL COMPLESSO DI GOLGI LISOSOMI -Originano dall’apparato di Golgi, - contengono enzimi digestivi - circondati da membrana singola -Ambiente lievemente a pH acido - Si fondono ai fagosomi -Prodotti della digestione sono poi liberati nel citoplasma La cellula eucariotica: PEROSSISOMI Derivano dal RE liscio Contengono enzimi in grado di catalizzare reazioni metaboliche in cui l’idrogeno è trasferito all’ossigeno Il nome deriva dalla produzione del perossido d’idrogeno H2O2, utilizzato per detossificare alcuni composti Abbondati in cellule che sintetizzano, immagazzinano o degradano lipidi La cellula eucariotica: MITOCONDRI Sede della “respirazione cellulare” = produzione di energia (ATP) a partire da glucosio + ossigeno -Il numero per cellula varia -Dotati di due membrane: esterna + interna -Membrana esterna = regolare ed appiattita con funzione di filtro parziale; -Membrana interna = dotata di numerose pieghe definite creste; contiene le molecole coinvolte nella respirazione cellulare. -Spazio racchiuso dalle membrane interne = matrice mitocondriale; presenti: DNA, ribosomi. Un Magazzino di Energia: l’ATP L’idrolisi di ATP fornisce l’energia alla cellula L’energia per sintetizzare ATP deriva dal cibo o dalle riserve di glicogeno e grassi  LA CELLULA EUCARIOTICA VEGETALE VACUOLO CLOROPLASTI PARETE CELLULARE Alcuni organelli si trovano solo in alcuni tipi cellulari  La cellula eucariotica vegetale LA PARETE CELLULARE E’ lo strato più esterno della cellula vegetale ed è costituita da cellulosa (polisaccaride formato da molecole di glucosio). La parete conferisce alla cellula rigidità, robustezza e forma. Cellule dell’epidermide della cipolla dove è evidente la parete cellulare La cellula eucariotica vegetale IL VACUOLO Immagazzina acqua e sostanze chimiche essenziali o prodotti di rifiuto del metabolismo cellulare. Accumulo di prodotti tossici e materiali di rifiuto; anche per difesa Mantenimento della morfologia e della struttura = turgore cellulare Riproduzione: quelli presenti nei petali contengono pigmenti = richiami visivi Digestione: in alcune piante essi contengono enzimi che digeriscono proteine contenute nei semi Esistono anche nelle cellule animali (es. Adipociti)  La cellula eucariotica vegetale CLOROPLASTI Organuli deputati alla fotosintesi cioè utilizzano la luce solare per sintetizzare zuccheri a partire da molecole inorganiche come l’anidride carbonica e l’acqua. -Contengono la clorofilla -In essi avviene la fotosintesi per produrre energia -Delimitati da due membrane + serie di membrane interne organizzate in strutture dette tilacoidi in cui avviene la fotosintesi + stroma interno in cui l’ATP generata nei tilacoidi viene usato per convertire la CO2 in glucosio. Cloroplasto: nella sua struttura interna sono evidenti i tilacoidi (sacchetti) contenenti la clorofilla.  MITOCONDRI E CLOROPLASTI SONO ORGANELLI SEMIAUTONOMI, DOTATI DI UN LORO DNA E SINTESI PROTEICA INDIPENDENTE. ORIGINE ENDOSIMBIONTICA DERIVEREBBERO DA PROCARIOTI CAPACI DI PRODURRE ATP, ATTRAVERSO LA RESPIRAZIONE O PER FOTOSINTESI, ENTRATI IN ENDOSIMBIOSI CON LA PROTOCELLULA EUCARIOTE E ACCOLTI ALL’INTERNO DI VACUOLI (CIÒ SPIEGHEREBBE LA DOPPIA MEMBRANA) MITOCONDRI E CLOROPLASTI, INFATTI, SI DUPLICANO INDIPENDENTEMENTE DALLA CELLULA CHE LI CONTIENE  La struttura cellulare - Riassunto https://www.youtube.com/watch?v=URUJD5NEXC8 Obiettivi di apprendimento ✓ Descrivere e mettere a confronto le caratteristiche generali della cellula procariotica ed eucariotica; confrontare cellule animali e vegetali ✓ Descrivere la funzione del sistema di endomembrane; ✓ Descrivere struttura e funzione degli organelli  Domanda 3 Confrontare cellule procariotiche ed eucariotiche animali PROCARIOTI: EUCARIOTI:  Domanda 4 Creare una mappa concettuale per descrivere la struttura della cellula eucariotica vegetale