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    30 μm140 μm

    20 μm 20 μm

    01

    01 La cellula: sguardo d’insieme

    LE DIMENSIONI DELLE CELLULE

    La cellula è l’unità base dei viventi. Esistono due tipi di cellule: le cellule procariotiche e le cellule eucariotiche. La cellula procarioti- ca è più piccola e ha una struttura più semplice rispetto a quella eucariotica, tuttavia le funzioni fondamentali di una singola cellula procariotica di un batterio sono simili a quelli che governa- no i circa 60 000 miliardi di cellule eucariotiche del corpo umano.

    L’osservazione della struttura cellulare richiede strumenti opportuni perché le cellule, in genere, sono molto piccole.

    0,1 nm 1 nm

    Atomi

    Piccole molecole

    Lipidi

    Proteina

    Fago T2 (virus)

    Cloroplasto (organello)

    La maggior parte dei batteri

    Gran parte delle cellule vegetali e animali

    Uovo di pesce

    Colibrì

    Uomo

    Balenottera azzurra

    Sequoia della California

    10 nm 100 nm 1 μm 10 μm 100 μm 1 mm 1 cm 0,1 m 1 m 10 m 100 m 1 km

    Microscopio elettronico

    Microscopio ottico

    Occhio nudo

    IL MICROSCOPIO

    Il più piccolo oggetto che normalmente un essere umano riesce a distinguere misura circa 0,2 mm (200 μm) . I microscopi accrescono il potere di risoluzione in modo tale che riusciamo a osservare le cellule e le loro strutture interne. I microscopi sono fondamental- mente di due tipi:

    risoluzione di circa 0,2 μm);

    Vediamo ora alcuni esempi di come appaiono le cellule osservate con le tecniche di microscopia ottica.

    Nel microscopio ottico si distinguono due viti: quella macrometrica, che serve per allontanare o avvicinare il tubo portalenti al vetrino, per la messa a fuoco, e quella micrometrica, consente movimenti più fini per regolare la messa a fuoco.

    La distanza che deve separare due oggetti perché l’occhio li percepisca come distinti prende il nome di risoluzione; due oggetti più vicini sembrano un’unica macchia.

    Le strutture interne delle cellule sono difficili da distinguere sotto la luce visibile, perciò spesso le cellule subiscono un trattamento chimico che ne colora i componenti con tinte diverse per far risaltare certe strutture.

    micron cubi: un micron è pari a un millesimo di millimetro, cioè 1 μm = 10–3 mm = 10–6 m

    Le cellule sono minuscole: il volume di una cellula varia da 1 μm3 a 1000 μm3 . Non mancano le eccezioni: le uova degli uccelli sono enormi, e alcuni tipi di alghe unicel- lulari possono essere visti a occhio nudo. Le dimensioni ridotte dipendono dalla necessità di mantenere un adeguato rappor- to tra superficie e volume. Il volume infatti determina la quantità di attività chimica svolta dalla cellula nell’unità di tempo, mentre la superficie determina la quantità di sostanze che la cellula può scambiare con l’esterno (cioè i nutrienti che vengono pre- levati dall’ambiente e i prodotti di scarto che sono riversati all’esterno).

    In una scala logaritmica, ogni unità è 10 volte più grande della precedente.

    Il diametro della maggior parte delle cellule è compreso nell'intervallo 1-100 μm

    Questa scala logaritmica mostra le dimensioni relative delle molecole, delle cellule e degli organismi pluricellulari.

    Molte cellule sono più piccole di 200 μm e quindi invisibili per l’occhio umano.

    Oculare

    Lenti dell’oculare

    Lenti dell’obiettivo

    Lenti del condensatore

    Fonte di luce

    Nella microscopia in campo chiaro, la luce passa direttamente attraverso queste cellule umane. A meno che non siano presenti pig- menti naturali, vi è poco contrasto e i detta- gli non vengono distinti.

    Nella microscopia a fluorescenza, una so- stanza naturale all’interno delle cellule o un colorante fluorescente che si lega a uno spe- cifico componente cellulare viene eccitato da un raggio di luce e viene osservata la luce fluo- rescente emessa a una lunghezza d’onda supe- riore proveniente direttamente dal colorante.

    Nella microscopia a contrasto di fase, il contrasto dell’immagine viene aumentato enfatizzando le differenze di indice di rifra- zione (la capacità di deviare la luce), esaltan- do così le regioni chiare e scure della cellula.

    La microscopia confocale si basa sull’emis- sione in fluorescenza ma sfrutta un sistema di focalizzazione sia della luce eccitante sia di quella emessa. Il risultato è un’immagine bi- dimensionale più nitida di quella che si può ottenere con la microscopia a fluorescenza standard.

    Per potenziare l’osservazione delle cellule al microscopio ottico o elettronico sono state sviluppate numerose tecniche.

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    200 nm

    02

    02 Le cellule procariotiche I biologi classificano tutti gli esseri viventi in tre domini: gli archei, i batteri e gli eucarioti. Gli archei e i batteri sono costituiti da cellule procariotiche (di dimensioni comprese tra 0,25 e 4 μm), che non possiedono compartimenti interni delimitati da membrane. Probabilmente le prime cellule avevano un’organizzazione simile a quella dei moderni procarioti, che ancora oggi costituiscono la maggior parte degli organismi viventi. Le cellule che costituiscono que- sti organismi condividono alcune caratteristiche comuni: sono circondate da una membrana, contengono citoplasma, almeno una molecola di DNA e un certo numero di ribosomi, organuli deputati alla sintesi delle proteine.

    La molecola di DNA contenuta nel nucleoide

    è costituita da un numero di coppie di basi (bp) che spazia da 3 a 5 000 000.

    Le cellule procariotiche so- no delimitate da una mem- brana plasmatica semiper- meabile, composta da un doppio strato fosfolipidico.

    All’interno della membrana plasmatica vi è il citoplasma, materiale semifluido entro cui av- vengono le reazioni cellulari. Il citoplasma è composto da due parti: il citosol, che è la parte più fluida, e le particelle insolubili sospese in esso. Una particolare zona del citoplasma chiamata nucleoide, contiene il DNA, che si trova sotto forma di un’unica molecola circolare, alla quale sono associate proteine, anche se non in modo altamente organizzato come negli eucarioti. Nel citoplasma sono sempre presenti i ribosomi liberi del diametro di 25 nm, in cui ha luogo la sintesi proteica. I ribosomi sono costituiti da RNA e proteine.

    Molti procarioti possiedono una parete cellulare, costituita da peptidoglicani, situata esternamente alla membrana pla- smatica. Essa dà sostegno alla cellula e ne determina la for- ma. A seconda del tipo di parete cellulare (più o meno spes- sa), i batteri si dividono in Gram positivi e Gram negativi. Attorno alla parete cellulare, alcuni batteri presentano uno strato di muco composto per lo più da polisaccaridi, denominato capsula. La capsula può avere diverse funzio- ni: proteggere i batteri procarioti che infettano gli animali dall’attacco del sistema immunitario, favorire l’adesione ad altre cellule o a un substrato; prevenire l’essiccamento della cellula.

    Nel corso dell’evoluzione, alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate. Nei cianobatteri, per esempio, sono presenti speciali membrane, capaci di svolgere la fotosintesi. Numerosi procarioti, inoltre, si muovono grazie ad appendici denominate flagelli, costi- tuite da proteine in grado di contrarsi. Il flagello ha l’aspetto di un cavatappi e ruota sul proprio asse come un’elica. Altri procarioti invece hanno strutture dette pili, che hanno una struttura simile ai flagelli ma sono molto numerosi e più piccoli e permettono alla cellula procariotica di aderire ad altri organismi, per lo scambio di materiale genetico o per ricava- re protezione e cibo. I pili sessuali intervengono nella coniugazione batterica.

    Capsula

    Batterio Pseudomonas aeruginora

    Ribosomi

    Nucleoidi

    Membrana plasmatica

    Flagello

    Membrana plasmatica Peptidoglicano Membrana esterna (assente in alcuni batteri)

    Parete cellulare

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    1,5 μm

    0,8 μm 25 nm

    0,5 μm

    30 nm0,1 μm

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    03 Le cellule eucariotiche Le cellule eucariotiche possono essere animali o vegetali. Alcuni organuli sono presenti in entrambi i tipi di cellula, mentre altri sono tipici dell’una o dell’altra. Nelle fotografie ottenute al microscopio elet- tronico, molti organuli delle cellule vegetali appaiono quasi identici per forma a quelli osservati nelle cellule animali. Le strutture cellulari specifiche delle cellule vegetali comprendono la parete cellulare e i cloroplasti. Le cellule animali contengono invece i centrioli, che non si trovano nelle cellule vegetali.

    CELLULA ANIMALE

    I ribosomi sono i siti dove vengono sintetizzate le proteine. Sono costituiti da RNA ribosomiale (rRNA) e oltre 50 pro- teine. Si possono trovare liberi nel citoplasma o attaccati al reticolo endoplasmatico.

    La parete delle cellule vegetali è una struttura semirigida che si trova all’esterno della membrana plasmatica. Ha tre importanti funzioni: fornisce sostegno alla cellula; fa da barriera contro le infezioni fungi- ne; contribuisce a dare forma alla pianta. Al microscopio, possiamo riconoscere nella parete cellulare delle cellule vegetali i plasmodesmi, piccoli canali che permettono a due cellule vegetali vicine di sca