Composizione e organizzazione delle cellule   Tutte le cellule sono composte da , quali l’acqua e i sali minerali, e da come le proteine, i glucidi, i lipidi e altri composti del metabolismo cellulare. Indipendentemente dal numero e dal tipo di cellule che lo compongono, ogni organismo vivente è formato da queste stesse sostanze; nel caso degli animali, incluso l’uomo, la maggior parte di esse deve essere assunta con la . sostanze inorganiche (cioè che non contengono carbonio) sostanze organiche (ossia che contengono carbonio) dieta Comprendere la struttura e il metabolismo di batteri, lieviti e muffe permette anche di comprendere e apprezzare il loro ruolo fondamentale negli ecosistemi (per esempio nella decomposizione della materia organica) e per i processi della vita sul pianeta in generale.  Le differenze tra le cellule e l’evoluzione biologica   Per quanto siano composti dalle stesse sostanze chimiche, possono avere non solo varie dimensioni e forme, ma anche strutture e assai differenti tra loro. Ciò consente una prima distinzione di massima: gli organismi procarioti e gli organismi eucarioti. cellule e organismi livelli di complessità I , di cui fanno parte i , hanno dimensioni dell’ordine di pochi micrometri (in 1 millimetro ci sono 1000 micrometri). Furono tra i primi organismi a comparire sulla Terra e sono caratterizzati da un’organizzazione prettamente unicellulare: singole cellule, con una struttura relativamente semplice, in grado di crescere, riprodursi e adattarsi a ogni ambiente terrestre. procarioti batteri L’evoluzione trasformò poi alcuni procarioti in : cellule con un’organizzazione interna più complessa, in cui si riconoscono distinti comparti funzionali. Le dimensioni della cellula eucariote possono essere molto variabili, ma raramente sono inferiori a 10 micrometri. eucarioti Tra organismi pluricellulari e batteri spesso si stabiliscono rapporti di mutua dipendenza. L’organismo di un uomo adulto, per esempio, comprende circa 40 000 miliardi di cellule eucariote, ma i microrganismi procarioti che risiedono sulle sue superfici esterne (pelle) e interne (mucose), indicati complessivamente con il termine “microbiota”, sono ancora più numerosi.  >> pagina 22    Dimensioni a confronto  I Procarioti   I procarioti, che comprendono e archeobatteri, sono organismi dotati di ( e ) e di tutte le strutture necessarie a condurre una . Presentano un livello di organizzazione più semplice di quello degli eucarioti, rispetto ai quali mancano di numerose strutture. batteri unicellulari entrambi gli acidi nucleici ▶  DNA RNA vita autonoma I batteri infatti sono dotati di una   membrana cellulare   che contiene un liquido, il   citosol , nel quale è immersa una grande varietà di molecole con funzioni ben precise. All’esterno, i batteri sono protetti da una   parete   che li avvolge, di spessore e forma variabile. I loro caratteri ereditari, in forma di una lunga molecola circolare di   DNA , sono raccolti in un ammasso più scuro definito   nucleolo   o nucleoide. A differenza di ciò che accade nelle cellule eucariote, questo materiale non è racchiuso in una membrana. Risulta quindi meno protetto, per esempio, dalle radiazioni ultraviolette della luce solare, in grado di danneggiarlo. Sempre all’interno dello spazio intracellulare si trovano i   ribosomi , complessi molecolari specializzati nella sintesi delle proteine; all’esterno possono essere presenti organuli, come pili o flagelli, per il movimento o l’adesione. Grazie alla forma tipica dei batteri è possibile operare una prima classificazione. DNA | |   DNA Il DNA ( , acido desossiribonucleico) è una molecola complessa e filamentosa dal tipico aspetto a doppia elica, associata a proteine e composta da 4 unità dette nucleotidi. Nei procarioti, il DNA è circolare ed è facilmente accessibile, mentre negli eucarioti i filamenti di DNA sono lineari e protetti da una membrana nucleare. Il DNA è suddiviso in sequenze, i geni. L’insieme dei geni di un individuo costituisce il suo genoma. Oltre al genoma nucleare, le cellule possono contenere genoma plasmidico (procarioti), mitocondriale o plastidico (eucarioti). Deossyribonucleic Acid  CELLULA PROCARIOTE     Tavola interattiva – La cellula procariote  >> pagina 23  Classificazione dei batteri in base alla forma  hanno una forma tondeggiante; talvolta essi possono riunirsi formando delle colonie e, in base alla modalità di aggregazione, sono classificabili in: –  quando si uniscono a formare delle catene; –  quando si uniscono in grappoli; cocchi streptococchi, stafilococchi,  hanno una forma a bastoncino; bacilli  hanno una struttura a bastoncello ricurvo; vibrioni  sono fatti a spirale; spirilli  sono a forma di clava. corinebatteri GUIDA ALLO STUDIO  Come possono essere classificati i batteri in base alla forma? 1.  Quali sono le strutture caratteristiche della cellula batterica? 2.  Perché le cellule procariote sono più vulnerabili di quelle eucariote? 3.  >> pagina 24  Riproduzione dei batteri I batteri sono in grado di moltiplicarsi attraverso due modalità di riproduzione molto diverse tra loro: una asessuata (scissione binaria) e una sessuata (coniugazione batterica). Scissione binaria Si tratta di un tipo di riproduzione asessuata, ossia che interessa una sola cellula. Nella scissione binaria si ha dapprima una duplicazione del materiale genetico e in seguito una divisione a metà della cellula stessa. In questo modo si ottengono dei . È il tipo di riproduzione più frequente ed è molto veloce (si stima che avvenga una scissione ogni 30 minuti circa). I cloni però, avendo lo , sono tutti ugualmente sensibili a fattori che possono provocarne la morte, come la presenza di antibiotici nel terreno di crescita. ▶  cloni stesso patrimonio genetico Clone |    |   Clone In biologia vengono chiamati cloni gli organismi che presentano un DNA identico e derivano da un unico organismo capostipite, riprodotto per moltiplicazione asessuata (che non prevede rimescolamento di informazioni genetiche). Può trattarsi indifferentemente di organismi unicellulari o pluricellulari, vegetali o animali. È un tipo di riproduzione sessuata, cioè coinvolge più cellule che fondono il loro materiale genetico. La coniugazione consiste infatti in un trasferimento di materiale genetico tra individui generalmente della stessa specie. Perché ciò si verifichi, è necessario che un batterio sia dotato di , ossia di una molecola di DNA in grado di replicazione autonoma e indipendente dal nucleolo. Il primo batterio, attraverso un ponte molecolare cavo chiamato , trasferisce una copia del plasmide a un altro batterio, che così acquisterà dei geni supplementari e dunque nuove capacità. Coniugazione batterica plasmide pilo Pur essendo molto più lenta e più rara rispetto alla scissione binaria, la costituisce un’importante strategia evolutiva per aumentare la variabilità genetica di una specie e migliorarne la capacità di sopravvivenza. ▶  ricombinazione del materiale genetico Ricombinazione genetica | |     Genetic recombination Per ricombinazione genetica si intende un processo di trasferimento o scambio di materiale genetico tra cellule. Negli organismi più evoluti (come nell’uomo) la ricombinazione si ottiene attraverso la riproduzione sessuale e garantisce la generazione di nuovi individui con caratteristiche diverse dai genitori. Fra i procarioti la ricombinazione è un evento piuttosto raro e la coniugazione rappresenta una delle modalità con cui si può verificare.  >> pagina 25  fissa il concetto Tipo di riproduzione Asessuata sessuata vantaggi colonizzazione veloce riproduzione lenta svantaggi cellule identiche (e quindi facilmente eliminabili con lo stesso agente) variabilità genetica (e quindi formazione di cellule più resistenti) GUIDA ALLO STUDIO  Quali sono le due principali forme di riproduzione dei batteri? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi a esse associati? 1.  Se un singolo batterio si riproduce per scissione binaria ogni 30 minuti, quanti batteri saranno presenti dopo 5 ore dall’inizio del processo? 2. I virus   I virus non sono costituiti da cellule, infatti sono   ancora più piccole e semplici delle cellule procariote: visibili solo al microscopio elettronico, misurano da poco più di 10 a 100 nm circa (1 nm = un milionesimo di millimetro). A differenza delle cellule, i virus  : affinché possano sopravvivere e riprodursi, devono necessariamente approfittare di un altro organismo, attaccandolo e infettandolo. Un virus è composto da   (può essere una molecola di DNA oppure di RNA, a seconda del tipo di virus) contenuto in una particolare struttura chiamata  ; quest’ultima talvolta è ulteriormente contenuta in un involucro esterno, come nel caso degli Herpesvirus (virus della varicella), o dell’HIV ( ), virus responsabile dell’AIDS. entità biologiche non sono in grado di vivere autonomamente un solo acido nucleico capside Human Immunodeficiency Virus Le   dei virus sono generalmente riconducibili a modelli standard: possono essere complesse e asimmetriche, poliedriche o circolari, con o senza strutture di ancoraggio. forme La modalità di   di alcuni virus è ormai nota e ben compresa. Sappiamo, per esempio, come agisce il virus responsabile dell’influenza umana che, fondendosi con la membrana della cellula infettata, rilascia all’interno di quest’ultima il suo materiale genetico destinato a essere incluso in quello cellulare. In un secondo tempo la cellula infettata produce a proprie spese proteine virali che si ricompongono in nuove copie del virus. Quando la cellula contaminata muore, rilascia nuovi virus che infettano le cellule circostanti. Esistono però molti virus il cui meccanismo di riproduzione è meno chiaro e dunque più difficile da contrastare. Ciò rende queste entità biologiche particolarmente   e pericolose anche per la salute dell’uomo. La storia ne è testimone, come nel caso delle passate epidemie di poliomielite e di vaiolo. Alcuni virus sono in grado di parassitare i batteri: in questo caso si parla di “batteriofagi” o semplicemente “fagi”. riproduzione temibili  Virus Complesso A.  e   Virus a involucro con uno strato membranoso esterno che ricopre un capside icosaedrico ( ) o elicoidale ( ) B. D. B D  Virus icosaedrico C.  Virus elicoidale E.  IL CICLO VIRALE    >> pagina 26   eUCARIOTI   Gli (nome che significa “dal vero nucleo”, perché contrariamente ai procarioti hanno un nucleo ben differenziato, delimitato da un involucro) possono essere organismi (come il , il comune lievito di birra) oppure . Gli eucarioti pluricellulari sono presenti nel regno dei funghi, delle piante e degli animali. eucarioti unicellulari Saccharomyces cerevisiae pluricellulari Tra le cellule vegetali e quelle animali si riscontrano analogie in termini strutturali, con alcune importanti differenze: , ossia consumano molecole biologiche prodotte da altri organismi e sono in grado di muoversi per ricercare il cibo, mentre , cioè sono autosufficienti per quanto riguarda la produzione di sostanze nutritive e non si muovono autonomamente. Il regno dei presenta caratteristiche intermedie fra gli animali e i vegetali: questi organismi, infatti, possono apparire simili alle piante, ma sono essenzialmente eterotrofi e si nutrono per assorbimento. gli animali sono eterotrofi le piante sono autotrofe funghi CELLULA ANIMALE   CELLULA VEGETALE    Il regno dei funghi   I funghi sono organismi eucarioti con caratteristiche intermedie fra le piante e gli animali: infatti, pur non essendo in grado di muoversi, sono eterotrofi e quindi si nutrono di sostanze organiche assorbite dal terreno in cui crescono. I funghi possono essere   o  . I primi assumono dimensioni tali da emergere visibilmente dal letto del sottobosco. Molti funghi macroscopici sono edibili, ma alcuni sono tossici e il rischio per la salute dipende sia dalla dose ingerita sia dalla pericolosità della tossina da essi prodotta. macroscopici microscopici I funghi microscopici comprendono: le  , organismi pluricellulari in cui le cellule si dispongono in lunghi filamenti ramificati, detti ife, che formano un micelio, ovvero un ammasso intricato di ife che ricorda la trama di un tessuto; muffe i  , organismi unicellulari che si moltiplicano per gemmazione o formando delle spore. lieviti I lieviti e le muffe sono ampiamente utilizzati nell’  e  : in particolare quando è necessario un processo di fermentazione (nella produzione di pane, birra e vino) ma anche per produrre formaggi quali il Gorgonzola o il Camembert, e nella produzione di medicinali come il cortisone e molti antibiotici. Tuttavia alcuni ceppi di questi funghi microscopici, in particolare di muffe, producono sostanze tossiche o cancerogene per l’uomo. industria alimentare farmaceutica Le spore fungine consentono al fungo di riprodursi per via asessuata. Le spore fungine consentono al fungo di riprodursi per via asessuata. STRUTTURA DELLA CELLULA EUCARIOTE Nonostante le notevoli differenze di conformazione, le cellule eucariote sono caratterizzate da un’organizzazione interna comune e dalla presenza delle stesse strutture fondamentali.  >> pagina 27  Membrana e citoplasma Come nel caso della cellula procariote, ogni cellula eucariote è delimitata da una esterna, detta o , composta da un doppio strato lipidico. Si tratta di una membrana , in grado cioè di essere attraversata in modo selettivo da diverse molecole, regolando così gli scambi tra l’ambiente interno (intracellulare) e quello esterno (extracellulare). Esternamente le , in più rispetto alle cellule animali, presentano una composta da . Nello spazio intracellulare di ogni cellula eucariote si trovano diverse strutture, dette o organuli, responsabili di precise funzioni. Gli organelli sono immersi nel , composto al 75-85% da acqua: esso è a tutti gli effetti lo spazio e il mezzo in cui avvengono tutte le reazioni cellulari. L’insieme del citosol e degli organelli costituisce il cellulare. membrana plasmatica cellulare semipermeabile cellule vegetali parete cellulare cellulosa che conferisce alla cellula protezione e rigidità organelli citosol citoplasma Cellule epatiche (del fegato). Cellule di cipolla. Nucleo e cromosomi Il , delimitato dalla membrana nucleare, si trova solitamente in posizione centrale e contiene la (complesso costituito da DNA e particolari proteine), che in alcune fasi del ciclo cellulare appare compattata in forma di . Le cellule di un individuo hanno tutte gli stessi identici cromosomi (a eccezione dei gameti, le cellule riproduttive). Il DNA che costituisce i cromosomi è suddiviso in sequenze definite . nucleo cromatina cromosomi geni Essi sono all’origine di tutti i meccanismi di regolazione cellulare. Ogni gene racchiude un’informazione scritta in linguaggio chimico che la cellula è in grado di leggere e tradurre per consentire la formazione di proteine.  >> pagina 28  I svolgono l’importante funzione di tradurre in proteine l’informazione contenuta nei geni dei cromosomi. I ribosomi, il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi ribosomi Il è costituito da un complesso sistema di membrane vicine al nucleo (che hanno l’aspetto di sacche impilate). La regione del reticolo endoplasmatico prossima al nucleo presenta ribosomi inseriti nella membrana e viene perciò definita rugosa, mentre quella più lontana dal nucleo ne è priva ed è connotata come liscia. Nel reticolo endoplasmatico avvengono una serie di complessi processi metabolici, tra cui la sintesi delle sostanze destinate a essere liberate all’esterno della cellula. reticolo endoplasmatico L’ è anch’esso formato da sacche membranose appiattite; ha la funzione di ultimare la sintesi delle proteine, finché da esso si distaccheranno vescicole contenenti le proteine stesse, pronte per essere liberate all’esterno della cellula. apparato di Golgi L’apparato di Golgi, costituito da membrane ripiegate, ha una struttura “a cisterne” di forma piatta e discoidale in comunicazione tra loro. fissa il concetto   DNA ribosomi Altri organuli Parete origine dimensioni eucarioti nel nucleo presenti presenti presente in alcuni casi (vegetali) evoluti 10-100 µm procarioti libero nel citosol presenti assenti sempre presente primitivi 1-10 µm Vescicole e vacuoli Le sono utilizzate per il . Alcune di queste vescicole (dette lisosomi o perossisomi) contengono particolari sostanze destinate a degradare i composti al loro interno. vescicole trasporto di sostanze dall’esterno verso l’interno della cellula (endocitosi) e viceversa (esocitosi) Il è un organulo particolarmente rilevante nelle : arriva a occuparne anche il 90% del volume complessivo. La pressione operata dal vacuolo (pressione osmotica) genera il turgore che sostiene gli organi non legnosi delle piante (foglie e steli); pertanto, eventuali danni a carico di questi organelli determinano l’avvizzimento delle piante. vacuolo cellule vegetali All’interno del vacuolo viene immagazzinata soprattutto acqua, ma anche diverse . sostanze organiche Per emettere all’esterno le secrezioni cellulari le vescicole si avvicinano alla membrana cellulare e successivamente si fondono con essa. Mitocondri e cloroplasti I forniscono alla cellula l’energia chimica necessaria per le funzioni cellulari. All’interno di questi organelli si completa il processo noto come : grazie all’ossigeno proveniente dalla respirazione, i composti ingeriti come fonte di energia sono completamente demoliti e ridotti a H O e CO . Gran parte dell’ liberata durante questa decomposizione non va dispersa, ma viene trasferita a molecole di adenosintrifosfato (ATP). Gli ATP prodotti dai mitocondri sono dunque molecole ad alto contenuto energetico. Tali molecole saranno usate successivamente dalla cellula per far avvenire tutte le reazioni che richiedono energia. mitocondri respirazione cellulare 2 2 energia chimica I sono organuli (in particolare nei tessuti verdi e più esposti alla luce, come le foglie); al loro interno avviene la fotosintesi clorofilliana. Nei cloroplasti è contenuta infatti la , una molecola in grado di assorbire l’energia contenuta nella luce solare e di usarla per produrre glucosio e ossigeno gassoso, a partire da H O e CO . La struttura interna del cloroplasto è costituita da numerose membrane, dette lamelle, che ospitano la clorofilla e gli enzimi necessari alla fotosintesi. cloroplasti presenti solo nelle cellule vegetali clorofilla 2 2 Cloroplasti di una pianta di pisello.  >> pagina 29  fissa il concetto cellula Modalità di nutrimento vacuolo parete organelli per la produzione di energia vegetale autotrofo presente presente cloroplasti animale eterotrofo assente assente mitocondri GUIDA ALLO STUDIO  Qual è la principale differenza tra cellula eucariote e cellula procariote? 1.  Quali sono le differenze tra la cellula animale e quella vegetale? 2.  Quali sono gli organuli tipici della cellula eucariote e quali sono le loro funzioni? 3. concetti in mappa