LA CELLULA La cellula è la più piccola unità strutturale e

funzionale capace di svolgere tutte le attività vitali

Esistono in natura migliaia di cellule diverse

Ameba Proteus

Cellula vegetale (foglia di pioppo) Globulo rosso umano

E. coli

TEORIA CELLULARE Il termine cellula fu coniato per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke il quale osservando al microscopio composto (detto cosi perché formato da più lenti) una fettina di sughero molto sottile si accorse che essa era tutta traforata e formata da tanti comparti separati da pareti cioè “piccole stanze” che chiamò cellule.

Successivamente l’olandese van Leeuwenhoek utilizzando il microscopio semplice (costituito da una sola lente ed un ingrandimento 200x), che a differenza di quello composto non dava aberrazioni sferiche e cromatiche, osservò e descrisse molte specie di protozoi, alghe e batteri. Ma dovettero passare più di 150 anni perchè Schleiden per i tessuti vegetali e Schwann per quelli animali enunciassero la teoria cellulare. Alcune loro concezioni si rivelarono successivamente errate, ma essi erano perfettamente scusabili.

TEORIA CELLULARE

Schleiden sosteneva che la riproduzione cellulare era dovuta ad una sorta di gravidanza della cellula. Schwann riteneva invece che le cellule si originassero da pezzetti di tessuto nel liquido che si trova tra cellula e cellula. Finché nel 1859 Virchow coniò il famoso aforisma:”Ogni cellula deriva da un’altra cellula”, valida ancora oggi. La moderna teoria cellulare può essere ricondotta a cinque affermazioni principali:

TEORIA CELLULARE

1)  Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule

2)   La cellula è la più piccola unità che presenta le proprietà tipiche della vita

3)  Tutte le cellule derivano da altre cellule

4)   L’informazione genetica è trasmessa da una generazione all’altra

5)   Le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo cellulare avvengono all’interno delle cellule

Teoria cellulare

Dimensioni delle cellule

unità

di lun

ghez

za int

erna

zion

ali

Le cellule hanno dimensioni e forme molto diverse tra loro

Dimensioni e forma delle cellule Le cellule hanno (quasi tutte) dimensioni molto piccole e forme variabili a seconda della funzione. Ad es. una cellula di E.coli ha un volume di 2x10-12 ml. Vi sono anche cellule molto grandi come ad es. l’acetabularia (un’alga unicellulare lunga 5 cm!). Le cellule batteriche sono lunghe circa 2 µm, mentre quelle di animali superiori circa 20-30 µm.

La risposta è che non possono essere più piccole perché le molecole costitutive che formano la loro sostanza organica hanno dimensioni ben definite e determinate dalla grandezza degli atomi di C, H, O, N. Poiché un certo numero di diverse biomolecole sono necessarie per la vita, se le cellule fossero più piccole, esse dovrebbero essere costituite da atomi più piccoli.

Perché le cellule non sono più piccole di come le conosciamo?

Le cellule non possono essere più grandi perché la velocità del loro metabolismo verrebbe limitata dalla velocità di diffusione delle molecole di nutrienti. Quindi deve esistere un rapporto ottimale tra superficie e volume della cellula (che è maggiore nei corpi piccoli rispetto a quelli più grandi di uguale forma).

Perché le cellule non sono più grandi di come le conosciamo?

Dividendosi periodicamente la cellula riesce a mantenere abbastanza costante il rapporto superficie/volume e di conseguenza il suo tasso metabolico.

Effetto scala: Il rapporto superficie/volume di qualsiasi corpo solido di forma costante diminuisce con l’aumentare delle sue dimensioni.

Le cellule sono organizzate in tessuti (gruppi di cellule che adempiono a una medesima funzione). Il corpo umano è composto da 100 mila miliardi di cellule (1014), di oltre 200 tipi diversi, classificate in quattro tipi di tessuti: 1) epiteliale, 2) connettivo, 3) muscolare e 4) nervoso. D i v e r s i t i p i d i t e s s u t i , u n i t i strutturalmente e coordinati nelle loro attività, formano gli organi.

NEL CORPO UMANO

Microscopia elettronica Microscopia ottica

A scansione Campo chiaro

Campo oscuro

Microscopia multi-fotone

Microscopia confocale

Microscopia a fluorescenza

Contrasto interferenziale DIC

Contrasto di fase

A trasmissione

obiettivo

vetrino

condensatore luce

dire

zion

e luce

oculari

Microscopia in campo chiaro

Semplicità: -) Strumentazione Stativo + tavolino portacampione Lampada Condensatore Ingrandimento con: obiettivi, lenti,

oculari -) Preparazione di campioni

vantaggi

Microscopia in contrasto di fase

Sfrutta ed esalta piccole differenze degli indici di rifrazione (n) dei campioni

biologici

lamp I ritardi di fase dei raggi di luce attraversanti i campioni aventi differenti indici di rifrazione sono invisibili

all’occhio umano, ma accentuati e resi visibili dall’impiego di

anelli di fase

Obiettivo per contrasto di fase

Anello di fase

Microscopia in contrasto di fase

La microscopia in Contrasto di Fase consente di rendere visibili cellule o tessuti molto sottili, trasparenti e non colorati

Campo chiaro

Contrasto di fase

Microscopia in contrasto di fase

Colture cellulari monostrato

Microscopia in contrasto interferenziale – Differential Interference Contrast DIC/Nomarski

Richiede l’impiego di luce polarizzata e di speciali prismi detti di Nomarski e Wollaston.

Tessuto renale

Tessuto epiteliale

Microscopia ottica a fluorescenza

-) uso di molecole fluorescenti; -) strumentazione costosa.

Richiede:

-) analizzare la morfologia dei singoli organelli intracellulari e monitorarne le loro funzioni

-) visualizzare e seguire processi biologici in cellule vive

Necessaria per:

Microscopia ottica a fluorescenza

GFP. Subcellular targeting

mtGFP mtBFP cytGFP goRFP

erGFP + mtBFP (in red)

lysGFP peroxYFP

citosol

mitocondri mitocondri Golgi

Reticolo endoplasmico (verde) e mitocondri (rosso) lisosomi perossisomi

Microscopia ottica

Risoluzione

Ingrandimento

Capacità di fornire un’immagine ingrandita dell’oggetto osservato.

X

Corrisponde al prodotto degl i ingrandimenti delle lenti di obiettivi, oculari e altri dispositivi accessori.

É limitato dal potere di risoluzione.

Capacità di distinguere come distinti due punti adiacenti.

La distanza minima tra due oggetti (d) affinchè questi possano essere osservati al microscopio

come entità separate è detta POTERE DI RISOLUZIONE

-  proprietà fisiche della luce (éλ =éd ) -  indice di rifrazione del mezzo in cui è immersa la lente -  apertura numerica dell’obiettivo

Il potere di risoluzione dipende da:

Microscopia elettronica

Scansione (SEM) Trasmissione (TEM)

Metodi di studio delle cellule

Proprietà del microscopio 1) Potere di risoluzione (distanza

minima alla quale due punti sono distinti tra loro; max 0,2 micrometri)

2) Ingrandimento (max 1000 X)

Microscopia elettronica: Preparazione del campione Necessarie sezioni molto sottili; uso di metalli pesanti come coloranti

Microscopia elettronica: Tecnica dell’ombreggiatura metallica; vengono evidenziate le caratteristiche superficiali delle particelle.

Scansione (SEM) Trasmissione (TEM) ottico

Microscopia

Potere di risoluzione

Microscopio ottico composto

Tipologie di microscopia ottica

1) In campo chiaro 2) In campo scuro (luce laterale; si

vede solo la luce diffusa dal campione) 3) Contrasto di fase (sfrutta il

differente indice di rifrazione delle varie strutture cellulari)

4) Contrasto di interferenza differenziale

Microscopia ottica: Preparazione del campione; fissazione e colorazione

Microscopia a fluorescenza

Microscopio elettronico

Potere di risoluzione max 0,1 nanometri