Il piano generale della struttura cellulare e le principali funzioni. strutture di una cellula vivente. Organelli principali e organelli di una cellula animale

Struttura cellulare

Il corpo umano, come qualsiasi altro organismo vivente, è costituito da cellule. Svolgono uno dei ruoli principali nel nostro corpo. Con l'aiuto delle cellule si verificano crescita, sviluppo e riproduzione.

Ricordiamo ora la definizione di quella che di solito viene chiamata cellula in biologia.

Una cellula è un'unità così elementare che è coinvolta nella struttura e nel funzionamento di tutti gli organismi viventi, ad eccezione dei virus. Ha un proprio metabolismo ed è in grado non solo di esistere in modo indipendente, ma anche di svilupparsi e riprodursi. In breve, possiamo concludere che la cellula è il materiale da costruzione più importante e necessario per qualsiasi organismo.

Ovviamente, ad occhio nudo, è improbabile che tu riesca a vedere la gabbia. Ma con l'aiuto delle moderne tecnologie, una persona ha una grande opportunità non solo di esaminare la cellula stessa al microscopio ottico o elettronico, ma anche di studiarne la struttura, isolare e coltivare i suoi singoli tessuti e persino decodificare l'informazione cellulare genetica.

E ora, con l'aiuto di questa figura, consideriamo visivamente la struttura della cella:

Struttura cellulare

Ma è interessante notare che non tutte le cellule hanno la stessa struttura. C'è una certa differenza tra le cellule di un organismo vivente e le cellule delle piante. Infatti, nelle cellule vegetali ci sono plastidi, una membrana e vacuoli con linfa cellulare. Nell'immagine puoi vedere la struttura cellulare di animali e piante e vedere la differenza tra loro:

Per ulteriori informazioni sulla struttura delle cellule vegetali e animali, imparerai guardando il video

Come puoi vedere, le cellule, sebbene abbiano dimensioni microscopiche, ma la loro struttura è piuttosto complessa. Pertanto, passeremo ora a uno studio più dettagliato della struttura della cellula.

Membrana plasmatica di una cellula

Per dare forma e separare la cellula dal suo genere, attorno alla cellula umana viene posta una membrana.

Poiché la membrana ha la capacità di far passare parzialmente le sostanze attraverso se stessa, per questo motivo le sostanze necessarie entrano nella cellula e da essa vengono rimossi i prodotti di scarto.

Convenzionalmente, possiamo dire che la membrana cellulare è un film ultramicroscopico, costituito da due strati monomolecolari di proteine ​​e uno strato bimolecolare di lipidi, che si trova tra questi strati.

Da ciò possiamo concludere che la membrana cellulare svolge un ruolo importante nella sua struttura, in quanto svolge una serie di funzioni specifiche. Svolge una funzione protettiva, di barriera e di collegamento tra le altre cellule e di comunicazione con l'ambiente.

E ora diamo un'occhiata a una struttura più dettagliata della membrana nella figura:

Citoplasma

Il componente successivo dell'ambiente interno della cellula è il citoplasma. È una sostanza semiliquida in cui altre sostanze si muovono e si dissolvono. Il citoplasma è costituito da proteine ​​e acqua.

All'interno della cellula c'è un movimento costante del citoplasma, che si chiama ciclosi. La ciclosi è circolare o reticolare.

Inoltre, il citoplasma collega diverse parti della cellula. In questo ambiente si trovano gli organelli della cellula.

Gli organelli sono strutture cellulari permanenti con funzioni specifiche.

Tali organelli includono strutture come la matrice citoplasmatica, il reticolo endoplasmatico, i ribosomi, i mitocondri, ecc.

Ora proveremo a dare un'occhiata più da vicino a questi organelli e scoprire quali funzioni svolgono.

Citoplasma

matrice citoplasmatica

Una delle parti principali della cellula è la matrice citoplasmatica. Grazie ad esso, nella cellula avvengono processi di biosintesi e i suoi componenti contengono enzimi che producono energia.

matrice citoplasmatica

Reticolo endoplasmatico

All'interno, la zona citoplasmatica è costituita da piccoli canali e varie cavità. Questi canali, collegandosi tra loro, formano il reticolo endoplasmatico. Tale rete è eterogenea nella sua struttura e può essere granulare o liscia.


Reticolo endoplasmatico

nucleo cellulare

La parte più importante, presente in quasi tutte le cellule, è il nucleo cellulare. Le cellule che hanno un nucleo sono chiamate eucarioti. Ogni nucleo cellulare contiene DNA. È la sostanza dell'ereditarietà e in essa sono criptate tutte le proprietà della cellula.

nucleo cellulare

Cromosomi

Se osserviamo la struttura di un cromosoma al microscopio, possiamo vedere che consiste di due cromatidi. Di norma, dopo la divisione nucleare, il cromosoma diventa singolo cromatide. Ma all'inizio della divisione successiva, sul cromosoma appare un altro cromatide.

Cromosomi

Centro cellulare

Quando si considera il centro cellulare, si può vedere che è costituito da centrioli materni e figlie. Ciascuno di questi centrioli è un oggetto cilindrico, le pareti sono formate da nove terzine di tubuli e nel mezzo c'è una sostanza omogenea.

Con l'aiuto di un tale centro cellulare, si verifica la divisione delle cellule animali e vegetali inferiori.

Centro cellulare

Ribosomi

I ribosomi sono organelli universali sia nelle cellule animali che vegetali. La loro funzione principale è la sintesi proteica nel centro funzionale.

Ribosomi

Mitocondri

Anche i mitocondri sono organelli microscopici, ma a differenza dei ribosomi, hanno una struttura a due membrane, in cui la membrana esterna è liscia e quella interna ha escrescenze di varia forma chiamate creste. I mitocondri svolgono il ruolo di centro respiratorio ed energetico

Mitocondri

apparato del Golgi

Ma con l'aiuto dell'apparato di Golgi si verifica l'accumulo e il trasporto di sostanze. Inoltre, grazie a questo apparato, avviene la formazione di lisosomi e la sintesi di lipidi e carboidrati.

Nella struttura, l'apparato di Golgi assomiglia a singoli corpi, che sono a forma di mezzaluna oa forma di bastoncino.

apparato del Golgi

plastidi

Ma i plastidi per una cellula vegetale svolgono il ruolo di una stazione energetica. Tendono a cambiare da una specie all'altra. I plastidi sono divisi in varietà come cloroplasti, cromoplasti, leucoplasti.

plastidi

Lisosomi

Il vacuolo digestivo, che è in grado di dissolvere gli enzimi, è chiamato lisosoma. Sono organelli microscopici a membrana singola con una forma arrotondata. Il loro numero dipende direttamente dalla vitalità della cellula e dalle sue condizioni fisiche.

Nel caso in cui si verifichi la distruzione della membrana del lisosoma, in questo caso la cellula è in grado di digerire se stessa.

Lisosomi

Modi per nutrire la cellula

Ora diamo un'occhiata a come vengono alimentate le cellule:

Come viene alimentata la cellula

Va notato qui che proteine ​​\u200b\u200be polisaccaridi tendono a penetrare nella cellula per fagocitosi, ma gocce liquide - per pinocitosi.

Il metodo di nutrizione delle cellule animali, in cui entrano i nutrienti, è chiamato fagocitosi. E un modo così universale di nutrire qualsiasi cellula, in cui i nutrienti entrano nella cellula già in forma disciolta, è chiamato pinocitosi.

La cellula è l'unità di base della vita. La cellula è delimitata dalle altre cellule o dall'ambiente esterno da una speciale membrana e possiede un nucleo o un suo equivalente, in cui è concentrata la maggior parte dell'informazione chimica che controlla l'ereditarietà. La citologia si occupa dello studio della struttura della cellula e la fisiologia si occupa del funzionamento. La scienza che studia le cellule dei tessuti si chiama istologia.

Esistono organismi unicellulari, il cui corpo è costituito interamente da una cellula. Questo gruppo comprende batteri e protisti (protozoi e alghe unicellulari). A volte sono anche chiamati acellulari, ma il termine unicellulare è usato più spesso. I veri animali multicellulari (metazoi) e le piante (metafite) contengono molte cellule.

organismo unicellulare

La stragrande maggioranza dei tessuti è costituita da cellule, ma ci sono alcune eccezioni. Il corpo delle muffe melmose (mixomiceti), ad esempio, è costituito da una sostanza omogenea, non cellulare, con numerosi nuclei. Alcuni tessuti animali, in particolare il muscolo cardiaco, sono organizzati in modo simile. Il corpo vegetativo (tallo) dei funghi è formato da microscopici filamenti - ife, spesso segmentati; ognuno di questi fili può essere considerato l'equivalente di una gabbia, anche se di forma atipica.

Alcune strutture del corpo che non sono coinvolte nel metabolismo, come conchiglie, perle o la base minerale delle ossa, non sono formate da cellule, ma dai loro prodotti di secrezione. Altri, come il legno, la corteccia, le corna, i capelli e lo strato esterno della pelle, non sono di origine secretoria, ma sono formati da cellule morte.

I piccoli organismi, come i rotiferi, sono costituiti solo da poche centinaia di cellule. Per confronto: nel corpo umano ci sono ca. 1014 cellule, in esso ogni secondo 3 milioni di eritrociti muoiono e vengono sostituiti da nuovi, e questo è solo un decimilionesimo del numero totale di cellule del corpo.

Di solito, le dimensioni delle cellule vegetali e animali variano da 5 a 20 micron di diametro. Una tipica cellula batterica è molto più piccola - ca. 2 µm, e il più piccolo noto è 0,2 µm.

Alcune cellule a vita libera, come i protozoi come i foraminiferi, possono essere lunghe diversi centimetri; hanno sempre molti nuclei. Le cellule delle sottili fibre vegetali raggiungono una lunghezza di un metro e i processi delle cellule nervose raggiungono diversi metri nei grandi animali. Con una tale lunghezza, il volume di queste cellule è piccolo e la superficie è molto grande.

Le celle più grandi sono uova di uccelli non fecondate piene di tuorlo. L'uovo più grande (e, quindi, la cellula più grande) apparteneva a un enorme uccello estinto - epiornis (Aepyornis). Presumibilmente il suo tuorlo pesava ca. 3,5 kg. L'uovo più grande nelle specie viventi appartiene allo struzzo, il suo tuorlo pesa ca. 0,5 kg.

Di norma, le cellule di grandi animali e piante sono solo leggermente più grandi delle cellule di piccoli organismi. Un elefante è più grande di un topo, non perché le sue cellule siano più grandi, ma principalmente perché le cellule stesse sono molto più grandi. Esistono gruppi di animali, come rotiferi e nematodi, in cui il numero di cellule nel corpo rimane costante. Pertanto, sebbene le grandi specie di nematodi abbiano un numero maggiore di cellule rispetto a quelle piccole, la principale differenza di dimensioni è dovuta in questo caso alle grandi dimensioni delle cellule.

All'interno di un dato tipo cellulare, le loro dimensioni di solito dipendono dalla ploidia, cioè dal numero di serie di cromosomi presenti nel nucleo. Le cellule tetraploidi (con quattro set di cromosomi) hanno un volume 2 volte maggiore rispetto alle cellule diploidi (con un doppio set di cromosomi). La ploidia di una pianta può essere aumentata iniettandovi il preparato erboristico colchicina. Poiché le piante esposte hanno cellule più grandi, sono anche più grandi. Tuttavia, questo fenomeno può essere osservato solo su poliploidi di origine recente. Nelle piante poliploidi evolutivamente antiche, le dimensioni delle cellule sono soggette a "regolazione inversa" verso valori normali nonostante un aumento del numero di cromosomi.

Struttura cellulare.

Un tempo la cellula era considerata come una gocciolina più o meno omogenea di materia organica, che veniva chiamata protoplasma o sostanza vivente. Questo termine è diventato obsoleto dopo che è diventato chiaro che la cellula è costituita da molte strutture chiaramente separate, chiamate organelli cellulari ("piccoli organi").

Composizione chimica. Di solito il 70-80% della massa cellulare è acqua, in cui sono disciolti vari sali e composti organici a basso peso molecolare. I componenti più caratteristici di una cellula sono le proteine ​​e gli acidi nucleici. Alcune proteine ​​sono componenti strutturali della cellula, altre sono enzimi, cioè catalizzatori che determinano la velocità e la direzione delle reazioni chimiche che si verificano nelle cellule. Gli acidi nucleici fungono da portatori di informazioni ereditarie, che si realizzano nel processo di sintesi proteica intracellulare.

Le cellule contengono spesso una certa quantità di sostanze di riserva che fungono da riserva alimentare. Le cellule vegetali immagazzinano principalmente l'amido, la forma polimerica dei carboidrati. Nelle cellule del fegato e dei muscoli viene immagazzinato un altro polimero di carboidrati, il glicogeno. Anche il grasso è tra gli alimenti comunemente immagazzinati, sebbene alcuni grassi svolgano una funzione diversa, ovvero fungono da componenti strutturali più importanti. Le proteine ​​​​nelle cellule (ad eccezione delle cellule seme) di solito non vengono immagazzinate.

Non è possibile descrivere la composizione tipica di una cellula, principalmente perché ci sono grandi differenze nella quantità di cibo e acqua immagazzinati. Le cellule del fegato contengono, ad esempio, il 70% di acqua, il 17% di proteine, il 5% di grassi, il 2% di carboidrati e lo 0,1% di acidi nucleici; il restante 6% sono sali e composti organici a basso peso molecolare, in particolare amminoacidi. Le cellule vegetali di solito contengono meno proteine, molti più carboidrati e un po' più di acqua; l'eccezione sono le cellule che sono a riposo. Una cellula di riposo di un chicco di grano, che è una fonte di nutrimento per l'embrione, contiene ca. 12% di proteine ​​(principalmente proteine ​​immagazzinate), 2% di grassi e 72% di carboidrati. La quantità di acqua raggiunge un livello normale (70-80%) solo all'inizio della germinazione del grano.

CELLULA ANIMALE "TIPICA" - raffigura schematicamente le principali strutture cellulari.

CELLULA VEGETALE "TIPICA" - raffigura schematicamente le principali strutture cellulari.

Alcune cellule, per lo più vegetali e batteriche, hanno una parete cellulare esterna. Nelle piante superiori, è costituito da cellulosa. Il muro circonda la cella stessa, proteggendola dalle influenze meccaniche. Le cellule, soprattutto quelle batteriche, possono anche secernere sostanze mucose, formando così intorno a sé una capsula che, come la parete cellulare, svolge una funzione protettiva.

È con la distruzione delle pareti cellulari che è associata la morte di molti batteri sotto l'azione della penicillina. Il fatto è che all'interno della cellula batterica la concentrazione di sali e composti a basso peso molecolare è molto elevata, e quindi, in assenza di un muro di rinforzo, l'afflusso di acqua nella cellula causato dalla pressione osmotica può portare alla sua rottura. La penicillina, che impedisce la formazione della sua parete durante la crescita cellulare, porta solo alla rottura (lisi) della cellula.

Le pareti cellulari e le capsule non sono coinvolte nel metabolismo e spesso possono essere staccate senza uccidere la cellula. Pertanto, possono essere considerati come parti ausiliarie esterne della cella. Nelle cellule animali, le pareti cellulari e le capsule sono generalmente assenti.

La cella stessa è composta da tre parti principali. Sotto la parete cellulare, se presente, si trova la membrana cellulare. La membrana circonda un materiale eterogeneo chiamato citoplasma. Un nucleo rotondo o ovale è immerso nel citoplasma. Di seguito consideriamo più in dettaglio la struttura e le funzioni di queste parti della cellula.

membrana cellulare

La membrana cellulare è una parte molto importante della cellula. Tiene insieme tutti i componenti cellulari e delimita l'ambiente interno ed esterno. Inoltre, le pieghe modificate della membrana cellulare formano molti degli organelli della cellula.

La membrana cellulare è un doppio strato di molecole (strato bimolecolare o doppio strato). Fondamentalmente, queste sono molecole di fosfolipidi e altre sostanze vicine a loro. Le molecole lipidiche hanno una duplice natura, manifestata nel modo in cui si comportano in relazione all'acqua. Le teste delle molecole sono idrofile, cioè hanno un'affinità per l'acqua e le loro code di idrocarburi sono idrofobiche. Pertanto, se miscelati con acqua, i lipidi formano sulla sua superficie un film, simile a un film oleoso; allo stesso tempo, tutte le loro molecole sono orientate allo stesso modo: le teste delle molecole sono nell'acqua e le code degli idrocarburi sono sopra la sua superficie.

Ci sono due di questi strati nella membrana cellulare, e in ciascuno di essi le teste delle molecole sono rivolte verso l'esterno e le code sono rivolte all'interno della membrana, l'una verso l'altra, senza quindi toccare l'acqua. Lo spessore di questa membrana è di ca. 7nm. Oltre ai principali componenti lipidici, contiene grandi molecole proteiche che sono in grado di "galleggiare" nel doppio strato lipidico e si trovano in modo tale che uno dei loro lati sia rivolto all'interno della cellula e l'altro sia a contatto con l'ambiente esterno. Alcune proteine ​​si trovano solo sulla superficie esterna o solo sulla superficie interna della membrana, oppure sono solo parzialmente immerse nel doppio strato lipidico.

La funzione principale della membrana cellulare è quella di regolare il trasporto di sostanze all'interno e all'esterno della cellula. Poiché la membrana è fisicamente simile all'olio in una certa misura, le sostanze solubili nell'olio o nei solventi organici, come l'etere, la attraversano facilmente. Lo stesso vale per i gas come l'ossigeno e l'anidride carbonica. Allo stesso tempo, la membrana è praticamente impermeabile alla maggior parte delle sostanze idrosolubili, in particolare agli zuccheri e ai sali. Grazie a queste proprietà, è in grado di mantenere un ambiente chimico all'interno della cellula diverso da quello esterno. Ad esempio, nel sangue la concentrazione di ioni sodio è alta e quella di ioni potassio è bassa, mentre nel fluido intracellulare questi ioni sono presenti in proporzione opposta. Una situazione simile è tipica per molti altri composti chimici.

Ovviamente la cellula però non può essere completamente isolata dall'ambiente, poiché deve ricevere le sostanze necessarie al metabolismo e liberarsi dei suoi prodotti finali. Inoltre il doppio strato lipidico non è completamente impermeabile anche alle sostanze idrosolubili, ma i cosiddetti “strati” lo penetrano. Le proteine ​​"che formano canali" creano pori, o canali, che possono aprirsi e chiudersi (a seconda del cambiamento nella conformazione proteica) e allo stato aperto conducono determinati ioni (Na+, K+, Ca2+) lungo il gradiente di concentrazione. Di conseguenza, la differenza di concentrazioni all'interno e all'esterno della cellula non può essere mantenuta unicamente a causa della bassa permeabilità della membrana. Contiene infatti proteine ​​che svolgono la funzione di una "pompa" molecolare: trasportano determinate sostanze sia all'interno che all'esterno della cellula, agendo contro il gradiente di concentrazione. Di conseguenza, quando la concentrazione, ad esempio, di amminoacidi è alta all'interno della cellula e bassa all'esterno, gli amminoacidi possono ancora essere trasferiti dall'esterno all'interno. Tale trasferimento è chiamato trasporto attivo e su di esso viene consumata l'energia fornita dal metabolismo. Le pompe a membrana sono altamente specifiche: ognuna di esse è in grado di trasportare o solo ioni di un certo metallo, o un amminoacido, o zucchero. Anche i canali ionici della membrana sono specifici.

Tale permeabilità selettiva è fisiologicamente molto importante e la sua assenza è la prima prova di morte cellulare. Questo può essere facilmente illustrato con l'esempio delle barbabietole. Se una radice di barbabietola viva viene immersa in acqua fredda, conserva il suo pigmento; se le barbabietole vengono bollite, le cellule muoiono, diventano facilmente permeabili e perdono il pigmento, che fa diventare rossa l'acqua.

Grandi molecole come le cellule proteiche possono "inghiottire". Sotto l'influenza di alcune proteine, se sono presenti nel fluido che circonda la cellula, si verifica un'invaginazione nella membrana cellulare, che poi si chiude formando una bolla, un piccolo vacuolo contenente acqua e molecole proteiche; successivamente, la membrana attorno al vacuolo si rompe e il contenuto entra nella cellula. Questo processo è chiamato pinocitosi (letteralmente "cell drinking") o endocitosi.

Le particelle più grandi, come le particelle di cibo, possono essere assorbite in modo simile durante il cosiddetto. fagocitosi. Di norma, il vacuolo formato durante la fagocitosi è più grande e il cibo viene digerito dagli enzimi dei lisosomi all'interno del vacuolo finché la membrana che lo circonda non si rompe. Questo tipo di alimentazione è tipico dei protozoi, ad esempio delle amebe che si nutrono di batteri. Tuttavia, la capacità di fagocitosi è caratteristica sia delle cellule intestinali degli animali inferiori che dei fagociti, uno dei tipi di globuli bianchi (leucociti) dei vertebrati. In quest'ultimo caso, il significato di questo processo non è nella nutrizione dei fagociti stessi, ma nella distruzione di batteri, virus e altro materiale estraneo dannoso per l'organismo.

Le funzioni dei vacuoli possono essere diverse. Ad esempio, i protozoi che vivono in acqua dolce subiscono un costante afflusso osmotico di acqua, poiché la concentrazione di sali all'interno della cellula è molto più alta che all'esterno. Sono in grado di secernere acqua in uno speciale vacuolo espulsore (contrattile), che periodicamente spinge fuori il suo contenuto.

Nelle cellule vegetali è spesso presente un grande vacuolo centrale che occupa quasi l'intera cellula; il citoplasma forma solo uno strato molto sottile tra la parete cellulare e il vacuolo. Una delle funzioni di un tale vacuolo è l'accumulo di acqua, che consente alla cellula di aumentare rapidamente di dimensioni. Questa capacità è particolarmente necessaria in un momento in cui i tessuti vegetali crescono e formano strutture fibrose.

Nei tessuti, nei punti di giunzione stretta delle cellule, le loro membrane contengono numerosi pori formati da proteine ​​​​che penetrano nella membrana - il cosiddetto. connessioni. I pori delle cellule adiacenti sono disposti uno di fronte all'altro, in modo che le sostanze a basso peso molecolare possano spostarsi da una cellula all'altra: questo sistema di comunicazione chimica coordina la loro attività vitale. Un esempio di tale coordinamento è la divisione più o meno sincrona delle cellule vicine osservata in molti tessuti.

MODELLO DI MEMBRANA CELLULARE che mostra la posizione delle molecole proteiche rispetto al doppio strato di molecole lipidiche. Le proteine ​​della maggior parte delle cellule situate sulla superficie del doppio strato lipidico o immerse in esso possono spostarsi leggermente in direzione laterale. Il colesterolo è presente anche nella membrana cellulare degli organismi superiori.

Citoplasma

Nel citoplasma sono presenti membrane interne simili a quelle esterne e formanti organelli di vario tipo. Queste membrane possono essere pensate come pieghe della membrana esterna; a volte le membrane interne formano un tutt'uno con quella esterna, ma spesso la piega interna viene allacciata e il contatto con la membrana esterna viene interrotto. Tuttavia, anche se il contatto viene mantenuto, le membrane interna ed esterna non sono sempre chimicamente identiche. In particolare, la composizione delle proteine ​​di membrana in diversi organelli cellulari differisce.

Reticolo endoplasmatico. Una rete di tubuli e vescicole si estende dalla superficie cellulare al nucleo. Questa rete è chiamata reticolo endoplasmatico. È stato spesso notato che i tubuli si aprono sulla superficie cellulare, e il reticolo endoplasmatico svolge quindi il ruolo di un apparato microcircolatorio attraverso il quale l'ambiente esterno può interagire direttamente con tutto il contenuto della cellula. Tale interazione è stata trovata in alcune cellule, in particolare nelle cellule muscolari, ma non è ancora chiaro se sia universale. In ogni caso, avviene effettivamente il trasporto di un certo numero di sostanze attraverso questi tubuli da una parte all'altra della cellula.

Piccoli corpi chiamati ribosomi ricoprono la superficie del reticolo endoplasmatico, specialmente vicino al nucleo. Diametro del ribosoma ca. 15 nm, sono per metà proteine ​​e per metà acidi ribonucleici. La loro funzione principale è la sintesi delle proteine; matrice (informazioni) L'RNA e gli amminoacidi associati all'RNA di trasferimento sono attaccati alla loro superficie. Le aree del reticolo ricoperte di ribosomi sono chiamate reticolo endoplasmatico rugoso e quelle prive di ribosomi sono chiamate lisce. Oltre ai ribosomi, vari enzimi vengono adsorbiti o comunque attaccati al reticolo endoplasmatico, compresi i sistemi enzimatici che assicurano l'uso dell'ossigeno per la formazione di steroli e per la neutralizzazione di alcuni veleni. In condizioni sfavorevoli, il reticolo endoplasmatico degenera rapidamente e quindi la sua condizione funge da indicatore sensibile della salute cellulare.

Apparato di Golgi. L'apparato di Golgi (complesso di Golgi) è una parte specializzata del reticolo endoplasmatico, costituito da sacche a membrana piatta impilate. È coinvolto nella secrezione di proteine ​​​​da parte della cellula (in essa avviene l'impacchettamento delle proteine ​​​​secrete in granuli) e quindi è particolarmente sviluppato nelle cellule che svolgono una funzione secretoria. Le importanti funzioni dell'apparato di Golgi includono anche l'attaccamento di gruppi di carboidrati alle proteine ​​e l'uso di queste proteine ​​per costruire la membrana cellulare e la membrana dei lisosomi. In alcune alghe, le fibre di cellulosa sono sintetizzate nell'apparato di Golgi.

I lisosomi sono piccole vescicole circondate da un'unica membrana. Germogliano dall'apparato di Golgi e possibilmente dal reticolo endoplasmatico. I lisosomi contengono una varietà di enzimi che scompongono grandi molecole, in particolare le proteine. A causa della loro azione distruttiva, questi enzimi sono, per così dire, "bloccati" nei lisosomi e vengono rilasciati solo se necessario. Quindi, durante la digestione intracellulare, gli enzimi vengono rilasciati dai lisosomi nei vacuoli digestivi. I lisosomi sono necessari anche per la distruzione cellulare; ad esempio, durante la trasformazione di un girino in una rana adulta, il rilascio di enzimi lisosomiali assicura la distruzione delle cellule della coda. In questo caso, questo è normale e benefico per il corpo, ma a volte tale distruzione cellulare è patologica. Ad esempio, quando la polvere di amianto viene inalata, può entrare nelle cellule dei polmoni, quindi i lisosomi si rompono, le cellule vengono distrutte e si sviluppa una malattia polmonare.

Mitocondri e cloroplasti. I mitocondri sono formazioni simili a sacchi relativamente grandi con una struttura piuttosto complessa. Sono costituiti da una matrice circondata da una membrana interna, uno spazio intermembrana e una membrana esterna. La membrana interna è ripiegata in pieghe chiamate creste. Gli accumuli di proteine ​​​​si trovano sulle creste. Molti di loro sono enzimi che catalizzano l'ossidazione dei prodotti di degradazione dei carboidrati; altri catalizzano le reazioni di sintesi e ossidazione dei grassi. Gli enzimi ausiliari coinvolti in questi processi sono dissolti nella matrice mitocondriale.

Nei mitocondri avviene l'ossidazione delle sostanze organiche, unita alla sintesi dell'adenosina trifosfato (ATP). La scomposizione dell'ATP con la formazione di adenosina difosfato (ADP) è accompagnata dal rilascio di energia, che viene spesa in vari processi vitali, come la sintesi di proteine ​​e acidi nucleici, il trasporto di sostanze dentro e fuori la cellula, la trasmissione degli impulsi nervosi o la contrazione muscolare. I mitocondri, quindi, sono stazioni energetiche che trasformano il "carburante" - grassi e carboidrati - in una forma di energia che può essere utilizzata dalla cellula, e quindi dall'organismo nel suo insieme.

Le cellule vegetali contengono anche mitocondri, ma la principale fonte di energia per le loro cellule è la luce. L'energia luminosa viene utilizzata da queste cellule per formare ATP e sintetizzare i carboidrati dall'anidride carbonica e dall'acqua.

La clorofilla, un pigmento che accumula energia luminosa, si trova nei cloroplasti. I cloroplasti, come i mitocondri, hanno una membrana interna ed esterna. Dalle escrescenze della membrana interna nel processo di sviluppo dei cloroplasti, i cosiddetti. membrane tilacoidi; questi ultimi formano dei sacchi appiattiti, raccolti in pile come una colonna di monete; queste cataste, chiamate grana, contengono clorofilla. Oltre alla clorofilla, i cloroplasti contengono tutti gli altri componenti necessari per la fotosintesi.

Alcuni cloroplasti specializzati non svolgono la fotosintesi, ma svolgono altre funzioni, ad esempio forniscono l'immagazzinamento di amido o pigmenti.

relativa autonomia. Per certi aspetti, mitocondri e cloroplasti si comportano come organismi autonomi. Ad esempio, proprio come le cellule stesse, che derivano solo da cellule, mitocondri e cloroplasti si formano solo da mitocondri e cloroplasti preesistenti. Ciò è stato dimostrato in esperimenti su cellule vegetali, in cui la formazione di cloroplasti è stata inibita dall'antibiotico streptomicina, e su cellule di lievito, in cui la formazione di mitocondri è stata inibita da altri farmaci. Dopo tali influenze, le cellule non hanno mai ripristinato gli organelli mancanti. Il motivo è che mitocondri e cloroplasti contengono una certa quantità del proprio materiale genetico (DNA) che codifica parte della loro struttura. Se questo DNA viene perso, che è ciò che accade quando la formazione di organelli viene soppressa, allora la struttura non può essere ricreata. Entrambi i tipi di organelli hanno il proprio sistema di sintesi proteica (ribosomi e RNA di trasferimento), che è in qualche modo diverso dal principale sistema di sintesi proteica della cellula; è noto, ad esempio, che il sistema di sintesi proteica degli organelli può essere soppresso dagli antibiotici, mentre non influenzano il sistema principale.

Il DNA degli organelli è responsabile della maggior parte dell'eredità extracromosomica o citoplasmatica. L'ereditarietà extracromosomica non obbedisce alle leggi mendeliane, poiché durante la divisione cellulare, il DNA dell'organello viene trasmesso alle cellule figlie in modo diverso rispetto ai cromosomi. Lo studio delle mutazioni che si verificano nel DNA degli organelli e nel DNA dei cromosomi ha dimostrato che il DNA degli organelli è responsabile solo di una piccola parte della struttura degli organelli; la maggior parte delle loro proteine ​​sono codificate in geni localizzati sui cromosomi.

La parziale autonomia genetica degli organelli in esame e le caratteristiche dei loro sistemi di sintesi proteica servirono come base per supporre che mitocondri e cloroplasti provenissero da batteri simbiotici che si insediarono nelle cellule 1-2 miliardi di anni fa. Un esempio moderno di tale simbiosi sono le piccole alghe fotosintetiche che vivono all'interno delle cellule di alcuni coralli e molluschi. Le alghe forniscono ai loro ospiti ossigeno e da loro ricevono sostanze nutritive.

strutture fibrillari. Il citoplasma di una cellula è un fluido viscoso, quindi la tensione superficiale si aspetterebbe che la cellula sia sferica tranne quando le cellule sono strettamente imballate. Tuttavia, questo di solito non viene osservato. Molti protozoi hanno tegumenti o membrane densi che conferiscono alla cellula una forma specifica non sferica. Tuttavia, anche senza membrana, le cellule possono mantenere una forma non sferica per il fatto che il citoplasma è strutturato con numerose fibre parallele piuttosto rigide. Questi ultimi sono formati da microtubuli cavi, costituiti da unità proteiche organizzate a spirale.

Alcuni protozoi formano pseudopodi - escrescenze citoplasmatiche lunghe e sottili con le quali catturano il cibo. Gli pseudopodi mantengono la loro forma a causa della rigidità dei microtubuli. Se la pressione idrostatica sale a circa 100 atmosfere, i microtubuli si disintegrano e la cellula assume la forma di una goccia. Quando la pressione ritorna normale, i microtubuli si ricompongono e la cellula forma pseudopodi. Molte altre cellule reagiscono in modo simile ai cambiamenti di pressione, il che conferma la partecipazione dei microtubuli al mantenimento della forma della cellula. L'assemblaggio e la disintegrazione dei microtubuli, necessari affinché la cellula cambi rapidamente forma, avviene anche in assenza di variazioni di pressione.

I microtubuli formano anche strutture fibrillari che fungono da organi di movimento cellulare. Alcune cellule hanno escrescenze simili a fruste chiamate flagelli o ciglia: il loro battito assicura il movimento della cellula nell'acqua. Se la cellula è immobile, queste strutture spingono acqua, particelle di cibo e altre particelle verso o lontano dalla cellula. I flagelli sono relativamente grandi e di solito la cellula ne ha solo uno, occasionalmente diversi flagelli. Le ciglia sono molto più piccole e coprono l'intera superficie della cellula. Sebbene queste strutture siano caratteristiche principalmente dei protozoi, possono essere presenti anche in forme altamente organizzate. Nel corpo umano, tutte le vie respiratorie sono rivestite di ciglia. Le piccole particelle che vi entrano vengono solitamente catturate dal muco sulla superficie cellulare e le ciglia le spostano fuori insieme al muco, proteggendo così i polmoni. Le cellule germinali maschili della maggior parte degli animali e di alcune piante inferiori si muovono con l'aiuto di un flagello.

Esistono altri tipi di movimento cellulare. Uno di questi è il movimento ameboide. L'ameba, così come alcune cellule di organismi multicellulari, "fluiscono" da un luogo all'altro, ad es. spostare a causa della corrente del contenuto della cella. Una corrente costante di materia esiste anche all'interno delle cellule vegetali, ma non comporta il movimento della cellula nel suo insieme. Il tipo di movimento cellulare più studiato è la contrazione delle cellule muscolari; viene eseguito facendo scorrere le fibrille (fili proteici) l'una rispetto all'altra, il che porta all'accorciamento della cellula.

Nucleo

Il nucleo è circondato da una doppia membrana. Uno spazio molto stretto (circa 40 nm) tra due membrane è chiamato perinucleare. Le membrane del nucleo passano nelle membrane del reticolo endoplasmatico e lo spazio perinucleare si apre nel reticolo. Tipicamente, la membrana nucleare ha pori molto stretti. Apparentemente, attraverso di essi vengono trasferite grandi molecole, come l'RNA messaggero, che viene sintetizzato sul DNA e quindi entra nel citoplasma.

La parte principale del materiale genetico si trova nei cromosomi del nucleo cellulare. I cromosomi sono costituiti da lunghe catene di DNA a doppio filamento, a cui sono attaccate proteine ​​​​basiche (cioè alcaline). A volte i cromosomi hanno diversi filamenti identici di DNA che giacciono uno accanto all'altro - tali cromosomi sono chiamati politeni (multifilamentosi). Il numero di cromosomi in specie diverse non è lo stesso. Le cellule diploidi del corpo umano contengono 46 cromosomi o 23 coppie.

In una cellula non in divisione, i cromosomi sono attaccati in uno o più punti alla membrana nucleare. Nel normale stato non spiralizzato, i cromosomi sono così sottili da non essere visibili al microscopio ottico. In determinati loci (aree) di uno o più cromosomi si forma un corpo denso presente nei nuclei della maggior parte delle cellule - il cosiddetto. nucleolo. Nel nucleolo, l'RNA viene sintetizzato e accumulato, che viene utilizzato per costruire i ribosomi, così come alcuni altri tipi di RNA.

divisione cellulare

Sebbene tutte le cellule provengano dalla divisione della cellula precedente, non tutte continuano a dividersi. Ad esempio, le cellule nervose nel cervello, una volta sorte, non si dividono più. Il loro numero sta gradualmente diminuendo; il tessuto cerebrale danneggiato non è in grado di riprendersi mediante rigenerazione. Se le cellule continuano a dividersi, sono caratterizzate da un ciclo cellulare costituito da due fasi principali: interfase e mitosi.

L'interfase stessa consiste di tre fasi: G1, S e G2. Di seguito è riportata la loro durata, tipica delle cellule vegetali e animali.

G1 (4-8 ore). Questa fase inizia immediatamente dopo la nascita della cellula. Durante la fase G1 la cellula, ad eccezione dei cromosomi (che non cambiano), aumenta la sua massa. Se la cellula non si divide ulteriormente, rimane in questa fase.

S (6-9 ore). La massa della cellula continua ad aumentare e si verifica il raddoppio (duplicazione) del DNA cromosomico. Tuttavia, i cromosomi rimangono singoli nella struttura, anche se raddoppiati in massa, poiché le due copie di ciascun cromosoma (cromatidi) sono ancora collegate tra loro per tutta la loro lunghezza.

G2. La massa della cellula continua ad aumentare fino a quando non è circa il doppio della massa iniziale, quindi si verifica la mitosi.

Mitosi

Dopo che i cromosomi sono raddoppiati, ciascuna delle cellule figlie deve ricevere un set completo di cromosomi. La mera divisione cellulare non può raggiungere questo risultato - questo risultato si ottiene attraverso un processo chiamato mitosi. Senza entrare nei dettagli, l'inizio di questo processo dovrebbe essere considerato l'allineamento dei cromosomi nel piano equatoriale della cellula. Quindi ciascun cromosoma si divide longitudinalmente in due cromatidi, che iniziano a divergere in direzioni opposte, diventando cromosomi indipendenti. Di conseguenza, alle due estremità della cellula si trova un set completo di cromosomi. Quindi la cellula si divide in due e ogni cellula figlia riceve un set completo di cromosomi.

Quella che segue è una descrizione della mitosi in una tipica cellula animale. Di solito è diviso in quattro fasi.

I. Profase. Una speciale struttura cellulare - il centriolo - raddoppia (a volte questo raddoppio si verifica nel periodo S dell'interfase) ei due centrioli iniziano a divergere verso i poli opposti del nucleo. La membrana nucleare viene distrutta; allo stesso tempo, proteine ​​​​speciali si combinano (aggregate), formando microtubuli sotto forma di filamenti. I centrioli, ora situati ai poli opposti della cellula, hanno un effetto organizzativo sui microtubuli, che di conseguenza si allineano radialmente, formando una struttura che in apparenza ricorda un fiore di aster ("stella"). Altri fili di microtubuli si estendono da un centriolo all'altro, formando il cosiddetto. fuso di divisione. In questo momento, i cromosomi sono in uno stato a spirale, simile a una molla. Sono chiaramente visibili al microscopio ottico, soprattutto dopo la colorazione. In profase, i cromosomi si dividono, ma i cromatidi rimangono ancora legati a coppie nella zona del centromero, un organello cromosomico simile nella funzione al centriolo. I centromeri hanno anche un effetto organizzativo sui fili del fuso, che ora si estendono dal centriolo al centromero e da questo a un altro centriolo.

II. Metafase. I cromosomi, fino a questo punto disposti in modo casuale, iniziano a muoversi, come se fossero tirati da fili di fuso attaccati ai loro centromeri, e gradualmente si allineano su un piano in una certa posizione e ad uguale distanza da entrambi i poli. Sdraiato sullo stesso piano, i centromeri insieme ai cromosomi formano il cosiddetto. piatto equatoriale. I centromeri che collegano le coppie di cromatidi si dividono, dopodiché i cromosomi fratelli vengono completamente separati.

III. Anafase. I cromosomi di ciascuna coppia si muovono in direzioni opposte verso i poli, come se fossero trascinati dai fili del fuso. In questo caso, si formano anche fili tra i centromeri dei cromosomi accoppiati.

IV. Telofase. Non appena i cromosomi si avvicinano ai poli opposti, la cellula stessa inizia a dividersi lungo il piano in cui si trovava la piastra equatoriale. Di conseguenza, si formano due cellule. Le fibre del fuso si rompono, i cromosomi si srotolano e diventano invisibili e attorno a loro si forma una membrana nucleare. Le cellule ritornano alla fase G1 dell'interfase. L'intero processo di mitosi dura circa un'ora.

I dettagli della mitosi variano leggermente nei diversi tipi di cellule. In una tipica cellula vegetale si forma un fuso, ma non ci sono centrioli. Nei funghi, la mitosi avviene all'interno del nucleo, senza previa disintegrazione della membrana nucleare.

La divisione della cellula stessa, chiamata citocinesi, non è strettamente correlata alla mitosi. A volte una o più mitosi passano senza divisione cellulare; di conseguenza si formano cellule multinucleate, spesso presenti nelle alghe. Se il nucleo viene rimosso dall'uovo di riccio di mare mediante micromanipolazione, il fuso continua a formarsi e l'uovo continua a dividersi. Ciò dimostra che la presenza di cromosomi non è una condizione necessaria per la divisione cellulare.

La riproduzione per mitosi è chiamata riproduzione asessuata, riproduzione vegetativa o clonazione. Il suo aspetto più importante è genetico: con tale riproduzione, non c'è divergenza di fattori ereditari nella prole. Le cellule figlie risultanti sono geneticamente esattamente le stesse del genitore. La mitosi è l'unica modalità di auto-riproduzione nelle specie che non hanno riproduzione sessuale, come molti organismi unicellulari. Tuttavia, anche nelle specie che si riproducono sessualmente, le cellule del corpo si dividono per mitosi e originano da un'unica cellula, l'ovulo fecondato, e sono quindi tutte geneticamente identiche. Le piante superiori possono riprodursi asessualmente (usando la mitosi) da piantine e baffi (un famoso esempio sono le fragole).

La MITOSI, il processo di divisione cellulare, è suddiviso in quattro fasi. Tra le divisioni mitotiche, la cellula è nella fase interfasica.

Meiosi

La riproduzione sessuale degli organismi viene effettuata con l'aiuto di cellule specializzate, le cosiddette. gameti - uova (uova) e sperma (spermatozoi). I gameti si fondono per formare una cellula, lo zigote. Ogni gamete è aploide, cioè ha un set di cromosomi. All'interno dell'insieme, tutti i cromosomi sono diversi, ma ogni cromosoma dell'uovo corrisponde a uno dei cromosomi dello spermatozoo. Lo zigote, quindi, contiene già una coppia di tali cromosomi corrispondenti tra loro, che sono chiamati omologhi. I cromosomi omologhi sono simili perché hanno gli stessi geni o loro varianti (alleli) che determinano caratteristiche specifiche. Ad esempio, uno dei cromosomi accoppiati può avere un gene che codifica per il gruppo sanguigno A e l'altro una sua variante che codifica per il gruppo sanguigno B. I cromosomi zigote originati dall'uovo sono materni e quelli originati dallo sperma sono paterno.

Come risultato di molteplici divisioni mitotiche, un organismo multicellulare o numerose cellule a vita libera derivano dallo zigote formato, come avviene nei protozoi a riproduzione sessuata e nelle alghe unicellulari.

Durante la formazione dei gameti, l'insieme diploide dei cromosomi che aveva lo zigote dovrebbe essere ridotto della metà (ridotto). Se ciò non accadesse, in ogni generazione la fusione dei gameti porterebbe al raddoppio del set di cromosomi. La riduzione del numero aploide di cromosomi si verifica a seguito della divisione di riduzione, la cosiddetta. meiosi, che è una variante della mitosi.

La MEIOSI prevede la formazione di gameti maschili e femminili. È comune a tutte le piante e gli animali che si riproducono sessualmente.

scissione e ricombinazione. Una caratteristica della meiosi è che durante la divisione cellulare, la placca equatoriale è formata da coppie di cromosomi omologhi e non da singoli cromosomi raddoppiati, come nella mitosi. I cromosomi accoppiati, ciascuno dei quali è rimasto singolo, divergono ai poli opposti della cellula, la cellula si divide e, di conseguenza, le cellule figlie ricevono un mezzo set di cromosomi rispetto allo zigote.

Ad esempio, supponiamo che l'insieme aploide sia costituito da due cromosomi. Nello zigote (e, di conseguenza, in tutte le cellule dell'organismo che produce i gameti), sono presenti i cromosomi materni A e B e paterni A "e B". Durante la meiosi, possono separarsi come segue:

La cosa più importante in questo esempio è il fatto che quando i cromosomi divergono, l'insieme materno e paterno iniziale non è necessariamente formato, ma è possibile la ricombinazione dei geni, come nei gameti AB "e A" B nel diagramma sopra.

Supponiamo ora che la coppia di cromosomi AA" contenga due alleli - a e b - del gene che determina i gruppi sanguigni A e B. Analogamente, la coppia di cromosomi BB" contenga gli alleli m e n di un altro gene che determina i gruppi sanguigni M e N. Separare questi alleli può andare così:

Ovviamente, i gameti risultanti possono contenere una qualsiasi delle seguenti combinazioni di alleli di due geni: am, bn, bm o an.

Se ci sono più cromosomi, le coppie di alleli si divideranno indipendentemente allo stesso modo. Ciò significa che gli stessi zigoti possono produrre gameti con diverse combinazioni di alleli genici e dare origine a diversi genotipi nella prole.

divisione meiotica. Entrambi questi esempi illustrano il principio della meiosi. In effetti, la meiosi è un processo molto più complesso, in quanto comporta due divisioni successive. La cosa principale nella meiosi è che i cromosomi si duplicano una sola volta, mentre la cellula si divide due volte, con conseguente riduzione del numero di cromosomi e l'insieme diploide diventa aploide.

Durante la profase della prima divisione, i cromosomi omologhi si coniugano, cioè si uniscono a coppie. Come risultato di questo processo molto preciso, ogni gene è opposto al suo omologo sull'altro cromosoma. Entrambi i cromosomi si raddoppiano, ma i cromatidi rimangono collegati tra loro da un centromero comune.

In metafase, i quattro cromatidi uniti si allineano per formare la piastra equatoriale, come se fossero un cromosoma duplicato. Contrariamente a quanto accade durante la mitosi, i centromeri non si dividono. Di conseguenza, ogni cellula figlia riceve una coppia di cromatidi ancora collegati dal cetromero. Durante la seconda divisione i cromosomi, già individuali, si allineano nuovamente formando, come nella mitosi, una placca equatoriale, ma durante questa divisione non avviene il loro raddoppio. I centromeri poi si dividono e ogni cellula figlia riceve un cromatide.

divisione del citoplasma. Come risultato di due divisioni meiotiche di una cellula diploide, si formano quattro cellule. Durante la formazione delle cellule germinali maschili, si ottengono quattro spermatozoi approssimativamente della stessa dimensione. Durante la formazione delle uova, la divisione del citoplasma avviene in modo molto irregolare: una cellula rimane grande, mentre le altre tre sono così piccole da essere quasi interamente occupate dal nucleo. Queste piccole cellule, le cosiddette. corpi polari, servono solo ad accogliere l'eccesso di cromosomi formatosi a seguito della meiosi. La parte principale del citoplasma necessario per lo zigote rimane in una cellula: l'uovo.

Alternanza generazionale

Cellule primitive: procarioti

Tutto quanto sopra si applica alle cellule di piante, animali, protozoi e alghe unicellulari, chiamate collettivamente eucarioti. Gli eucarioti si sono evoluti da una forma più semplice, i procarioti, che ora sono batteri, inclusi archeobatteri e cianobatteri (questi ultimi erano precedentemente chiamati alghe blu-verdi). Rispetto alle cellule eucariotiche, le cellule procariotiche sono più piccole e hanno meno organelli cellulari. Hanno una membrana cellulare ma nessun reticolo endoplasmatico e i ribosomi fluttuano liberamente nel citoplasma. I mitocondri sono assenti, ma gli enzimi ossidativi sono solitamente attaccati alla membrana cellulare, che diventa così l'equivalente dei mitocondri. I procarioti sono anche privi di cloroplasti e la clorofilla, se presente, è presente sotto forma di piccolissimi granuli.

I procarioti non hanno un nucleo racchiuso nella membrana, sebbene la posizione del DNA possa essere identificata dalla sua densità ottica. L'equivalente di un cromosoma è un filamento di DNA, solitamente circolare, con un numero molto minore di proteine ​​attaccate. Una catena di DNA ad un certo punto è attaccata alla membrana cellulare. La mitosi è assente nei procarioti. È sostituito dal seguente processo: il DNA si raddoppia, dopodiché la membrana cellulare inizia a crescere tra punti di attacco adiacenti di due copie della molecola di DNA, che di conseguenza divergono gradualmente. La cellula alla fine si divide tra i punti di attacco delle molecole di DNA, formando due cellule, ciascuna con la propria copia del DNA.

differenziazione cellulare

Piante e animali multicellulari si sono evoluti da organismi unicellulari le cui cellule sono rimaste insieme dopo la divisione, formando una colonia. Inizialmente, tutte le cellule erano identiche, ma un'ulteriore evoluzione ha dato origine alla differenziazione. Innanzitutto si sono differenziate le cellule somatiche (cioè le cellule del corpo) e le cellule germinali. Inoltre, la differenziazione è diventata più complicata: sono sorti tipi di cellule sempre più diversi. L'ontogenesi - lo sviluppo individuale di un organismo multicellulare - ripete in termini generali questo processo evolutivo (filogenesi).

Fisiologicamente, le cellule si differenziano in parte rafforzando l'una o l'altra caratteristica comune a tutte le cellule. Ad esempio, la funzione contrattile è aumentata nelle cellule muscolari, il che può essere il risultato di un miglioramento del meccanismo che esegue l'ameboide o altri tipi di movimento nelle cellule meno specializzate. Un esempio simile sono le cellule radicali a parete sottile con i loro processi, i cosiddetti. peli radicali, che servono ad assorbire sali e acqua; in un modo o nell'altro, questa funzione è inerente a qualsiasi cellula. A volte la specializzazione è associata all'acquisizione di nuove strutture e funzioni - un esempio è lo sviluppo di un organo locomotore (flagello) negli spermatozoi.

La differenziazione a livello cellulare o tissutale è stata studiata in dettaglio. Sappiamo, per esempio, che a volte procede autonomamente, cioè un tipo di cella può trasformarsi in un altro, indipendentemente dal tipo di cella a cui appartengono i vicini. Tuttavia, il cosiddetto. l'induzione embrionale è un fenomeno in cui un tipo di tessuto stimola le cellule di un altro tipo a differenziarsi in una data direzione.

Nel caso generale, la differenziazione è irreversibile, cioè le cellule altamente differenziate non possono trasformarsi in un altro tipo di cellula. Tuttavia, questo non è sempre il caso, specialmente nelle cellule vegetali.

Le differenze nella struttura e nella funzione sono in definitiva determinate da quali tipi di proteine ​​sono sintetizzate nella cellula. Poiché i geni controllano la sintesi delle proteine ​​e l'insieme dei geni in tutte le cellule del corpo è lo stesso, la differenziazione deve dipendere dall'attivazione o inattivazione di determinati geni in diversi tipi di cellule. La regolazione dell'attività genica avviene a livello di trascrizione, cioè formazione di RNA messaggero utilizzando il DNA come stampo. Solo i geni trascritti producono proteine. Le proteine ​​sintetizzate possono bloccare la trascrizione, ma a volte la attivano. Inoltre, poiché le proteine ​​sono prodotti di geni, alcuni geni possono controllare la trascrizione di altri geni. Anche gli ormoni, in particolare gli ormoni steroidei, sono coinvolti nella regolazione della trascrizione. I geni molto attivi possono essere duplicati (raddoppiati) molte volte per produrre più RNA messaggero.

Lo sviluppo di tumori maligni è stato spesso considerato un caso speciale di differenziazione cellulare. Tuttavia, la comparsa di cellule maligne è il risultato di un cambiamento nella struttura del DNA (mutazione) e non dei processi di trascrizione e traduzione nella normale proteina del DNA.

Metodi di studio della cellula

Microscopio ottico. Nello studio della forma e della struttura delle cellule, il primo strumento fu il microscopio ottico. La sua risoluzione è limitata a dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce (0,4–0,7 µm per la luce visibile). Tuttavia, molti elementi della struttura cellulare sono di dimensioni molto inferiori.

Un'altra difficoltà è che la maggior parte dei componenti cellulari sono trasparenti e il loro indice di rifrazione è quasi uguale a quello dell'acqua. Per migliorare la visibilità, vengono spesso utilizzati coloranti che hanno affinità diverse per i diversi componenti cellulari. La colorazione viene utilizzata anche per studiare la chimica della cellula. Ad esempio, alcuni coloranti si legano prevalentemente agli acidi nucleici e quindi rivelano la loro localizzazione nella cellula. Una piccola parte dei coloranti - sono detti intravitali - può essere utilizzata per colorare cellule viventi, ma solitamente le cellule devono essere prefissate (utilizzando sostanze che coagulano la proteina) e solo successivamente possono essere colorate.

Prima del test, le cellule oi pezzi di tessuto vengono solitamente incorporati in paraffina o plastica e quindi tagliati in sezioni molto sottili utilizzando un microtomo. Questo metodo è ampiamente utilizzato nei laboratori clinici per rilevare le cellule tumorali. Oltre alla microscopia ottica convenzionale, sono stati sviluppati anche altri metodi ottici per lo studio delle cellule: microscopia a fluorescenza, microscopia a contrasto di fase, spettroscopia e analisi di diffrazione di raggi X.

Microscopio elettronico. Il microscopio elettronico ha una risoluzione di ca. 1-2nm. Questo è sufficiente per lo studio di grandi molecole proteiche. Di solito è necessario macchiare e contrastare l'oggetto con sali metallici o metalli. Per questo motivo, e anche perché gli oggetti vengono esaminati nel vuoto, solo le cellule morte possono essere studiate con un microscopio elettronico.

Autoradiografia. Se al mezzo viene aggiunto un isotopo radioattivo assorbito dalle cellule durante il metabolismo, la sua localizzazione intracellulare può essere rilevata mediante autoradiografia. In questo metodo, sezioni sottili di cellule vengono posizionate su pellicola. Il film si oscura sotto quei luoghi dove ci sono isotopi radioattivi.

Centrifugazione. Per lo studio biochimico dei componenti cellulari, le cellule devono essere distrutte - meccanicamente, chimicamente o mediante ultrasuoni. I componenti rilasciati sono in sospensione nel liquido e possono essere isolati e purificati mediante centrifugazione (il più delle volte in gradiente di densità). Tipicamente, tali componenti purificati mantengono un'elevata attività biochimica.

Colture cellulari. Alcuni tessuti possono essere divisi in singole cellule in modo tale che le cellule rimangano vive e spesso siano in grado di riprodursi. Questo fatto conferma finalmente l'idea di una cellula come unità di vita. Una spugna, un primitivo organismo multicellulare, può essere divisa in cellule strofinandola con un setaccio. Dopo un po', queste cellule si ricombinano e formano una spugna. I tessuti embrionali animali possono essere fatti dissociare usando enzimi o altri mezzi che indeboliscono i legami tra le cellule.

L'embriologo americano R. Harrison (1879–1959) fu il primo a dimostrare che le cellule embrionali e persino alcune cellule mature possono crescere e moltiplicarsi al di fuori del corpo in un ambiente adatto. Questa tecnica, chiamata coltura cellulare, fu messa a punto dal biologo francese A. Carrel (1873-1959). Le cellule vegetali possono anche essere coltivate in coltura, ma rispetto alle cellule animali, formano ammassi più grandi e sono più fortemente attaccate l'una all'altra, quindi il tessuto si forma durante la crescita della coltura, piuttosto che le singole cellule. Nella coltura cellulare, un'intera pianta adulta, come una carota, può essere coltivata da una singola cellula.

Microchirurgia. Con l'aiuto di un micromanipolatore, singole parti della cellula possono essere rimosse, aggiunte o modificate in qualche modo. Una grande cellula di ameba può essere divisa in tre componenti principali: la membrana cellulare, il citoplasma e il nucleo, quindi questi componenti possono essere riassemblati e si ottiene una cellula vivente. In questo modo si possono ottenere cellule artificiali, costituite da componenti di diversi tipi di amebe.

Considerando che è possibile sintetizzare artificialmente alcuni componenti cellulari, gli esperimenti sull'assemblaggio di cellule artificiali possono essere il primo passo verso la creazione di nuove forme di vita in laboratorio. Poiché ogni organismo si sviluppa da una singola cellula, il metodo per ottenere cellule artificiali consente in linea di principio la costruzione di organismi di un determinato tipo, se allo stesso tempo si utilizzano componenti leggermente diversi da quelli che si trovano nelle cellule attualmente esistenti. In realtà, tuttavia, non è richiesta la sintesi completa di tutti i componenti cellulari. La struttura della maggior parte, se non di tutti, i componenti di una cellula è determinata dagli acidi nucleici. Pertanto, il problema della creazione di nuovi organismi si riduce alla sintesi di nuovi tipi di acidi nucleici e alla loro sostituzione degli acidi nucleici naturali in alcune cellule.

Fusione cellulare. Un altro tipo di cellule artificiali può essere ottenuto mediante fusione di cellule dello stesso tipo o di tipi diversi. Per ottenere la fusione, le cellule sono esposte agli enzimi virali; in questo caso, le superfici esterne di due cellule si uniscono e la membrana tra di esse collassa e si forma una cellula in cui due gruppi di cromosomi sono racchiusi in un nucleo. Puoi unire celle di tipi diversi o in diversi stadi di divisione. Utilizzando questo metodo, è stato possibile ottenere cellule ibride di topo e pollo, uomo e topo, uomo e rospo. Tali cellule sono ibride solo inizialmente e dopo numerose divisioni cellulari perdono la maggior parte dei cromosomi dell'uno o dell'altro tipo. Il prodotto finale diventa, ad esempio, essenzialmente una cellula di topo, in cui i geni umani sono assenti o presenti solo in piccole quantità. Di particolare interesse è la fusione di cellule normali e maligne. In alcuni casi gli ibridi diventano maligni, in altri no; entrambe le proprietà possono apparire sia come dominanti che come recessive. Questo risultato non è inaspettato, poiché la malignità può essere causata da vari fattori e ha un meccanismo complesso.

Quasi tutti gli organismi viventi si basano sull'unità più semplice: la cellula. Puoi trovare una foto di questo minuscolo biosistema, nonché le risposte alle domande più interessanti in questo articolo. Qual è la struttura e le dimensioni della cella? Quali funzioni svolge nel corpo?

La gabbia è...

Gli scienziati non conoscono l'ora esatta della comparsa delle prime cellule viventi sul nostro pianeta. In Australia, i loro resti sono stati trovati 3,5 miliardi di anni fa. Tuttavia, non è stato possibile determinare con precisione la loro biogenicità.

La cellula è l'unità più semplice nella struttura di quasi tutti gli organismi viventi. Le uniche eccezioni sono virus e viroidi, che sono forme di vita non cellulari.

Una cellula è una struttura che può esistere autonomamente e riprodursi. Le sue dimensioni possono essere diverse: da 0,1 a 100 micron o più. Tuttavia, vale la pena notare che anche le uova piumate non fecondate possono essere considerate cellule. Pertanto, la cellula più grande sulla Terra può essere considerata un uovo di struzzo. Di diametro, può raggiungere i 15 centimetri.

La scienza che studia le caratteristiche della vita e la struttura della cellula del corpo si chiama citologia (o biologia cellulare).

Scoperta ed esplorazione della cellula

Robert Hooke è uno scienziato inglese noto a tutti noi per il corso di fisica della scuola (fu lui a scoprire la legge sulla deformazione dei corpi elastici, che prese il suo nome). Inoltre, è stato lui a vedere per primo le cellule viventi, esaminando sezioni di un albero di sughero attraverso il suo microscopio. Gli ricordavano un nido d'ape, quindi li chiamava cella, che significa "cella" in inglese.

La struttura cellulare delle piante fu confermata più tardi (alla fine del XVII secolo) da molti ricercatori. Ma la teoria cellulare fu estesa agli organismi animali solo all'inizio del XIX secolo. Nello stesso periodo, gli scienziati si interessarono seriamente al contenuto (struttura) delle cellule.

Potenti microscopi ottici hanno permesso di esaminare in dettaglio la cellula e la sua struttura. Rimangono tuttora lo strumento principale nello studio di questi sistemi. E l'avvento dei microscopi elettronici nel secolo scorso ha permesso ai biologi di studiare l'ultrastruttura delle cellule. Tra i metodi del loro studio si possono anche individuare quelli biochimici, analitici e preparativi. Puoi anche scoprire che aspetto ha una cellula vivente: la foto è riportata nell'articolo.

Struttura chimica della cellula

La cellula contiene molte sostanze diverse:

• organogeni;
• macronutrienti;
• micro e ultramicroelementi;
• acqua.

Circa il 98% della composizione chimica della cellula sono i cosiddetti organogeni (carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto), un altro 2% sono macronutrienti (magnesio, ferro, calcio e altri). Micro e ultramicroelementi (zinco, manganese, uranio, iodio, ecc.) - non più dello 0,01% dell'intera cellula.

Procarioti ed eucarioti: le principali differenze

In base alle caratteristiche della struttura cellulare, tutti gli organismi viventi sulla Terra sono divisi in due regni:

• i procarioti sono organismi più primitivi che si sono evoluti;
• eucarioti - organismi il cui nucleo cellulare è completamente formato (anche il corpo umano appartiene agli eucarioti).

Le principali differenze tra cellule eucariotiche e procariotiche:

• pezzature maggiori (10-100 micron);
• metodo di divisione (meiosi o mitosi);
• tipo di ribosoma (ribosomi 80S);
• tipo di flagelli (nelle cellule degli organismi eucarioti, i flagelli sono costituiti da microtubuli circondati da una membrana).

struttura delle cellule eucariotiche

La struttura di una cellula eucariotica comprende i seguenti organelli:

• nucleo;
• citoplasma;
• apparato del golgi;
• lisosomi;
• centrioli;
• mitocondri;
• ribosomi;
• vescicole.

Il nucleo è il principale elemento strutturale della cellula eucariotica. È in esso che sono immagazzinate tutte le informazioni genetiche su un particolare organismo (nelle molecole di DNA).

Il citoplasma è una sostanza speciale che contiene il nucleo e tutti gli altri organelli. Grazie ad una speciale rete di microtubuli, assicura il movimento delle sostanze all'interno della cellula.

L'apparato di Golgi è un sistema di vasche piatte in cui le proteine ​​maturano costantemente.

I lisosomi sono piccoli corpi con una singola membrana, la cui funzione principale è quella di abbattere i singoli organelli cellulari.

I ribosomi sono organelli ultramicroscopici universali, il cui scopo è la sintesi delle proteine.

I mitocondri sono una sorta di cellule "leggere", nonché la sua principale fonte di energia.

Funzioni fondamentali della cellula

La cellula di un organismo vivente è progettata per svolgere diverse importanti funzioni che assicurano l'attività vitale di questo stesso organismo.

La funzione più importante della cellula è il metabolismo. Quindi, è lei che scompone le sostanze complesse, trasformandole in semplici, e sintetizza anche composti più complessi.

Inoltre, tutte le cellule sono in grado di rispondere agli stimoli esterni (temperatura, luce e così via). La maggior parte di loro ha anche la capacità di rigenerarsi (auto-guarirsi) attraverso la fissione.

Le cellule nervose possono anche rispondere a stimoli esterni attraverso la formazione di impulsi bioelettrici.

Tutte le suddette funzioni della cellula assicurano l'attività vitale dell'organismo.

Conclusione

Quindi, una cellula è il più piccolo sistema vivente elementare, che è l'unità di base nella struttura di qualsiasi organismo (animale, pianta, batteri). Nella sua struttura si distinguono il nucleo e il citoplasma, che contiene tutti gli organelli (strutture cellulari). Ciascuno di essi svolge le sue funzioni specifiche.

La dimensione della cella varia ampiamente - da 0,1 a 100 micrometri. Le caratteristiche della struttura e dell'attività vitale delle cellule sono studiate da una scienza speciale: la citologia.

Cellula- l'unità elementare di un sistema vivente. Varie strutture di una cellula vivente, responsabili dell'esecuzione di una particolare funzione, sono chiamate organelli, come gli organi dell'intero organismo. Funzioni specifiche nella cellula sono distribuite tra organelli, strutture intracellulari che hanno una certa forma, come il nucleo cellulare, i mitocondri, ecc.

Strutture cellulari:

Citoplasma. Parte obbligatoria della cellula, racchiusa tra la membrana plasmatica e il nucleo. Citosolè una soluzione acquosa viscosa di vari sali e sostanze organiche, permeata da un sistema di filamenti proteici - citoscheletri. La maggior parte dei processi chimici e fisiologici della cellula avvengono nel citoplasma. Struttura: citosol, citoscheletro. Funzioni: comprende vari organelli, l'ambiente interno della cellula
membrana plasmatica. Ogni cellula di animali, piante, è limitata dall'ambiente o da altre cellule dalla membrana plasmatica. Lo spessore di questa membrana è così piccolo (circa 10 nm) che può essere visto solo con un microscopio elettronico.

Lipidi formano un doppio strato nella membrana e le proteine ​​​​penetrano tutto il suo spessore, sono immerse a diverse profondità nello strato lipidico o si trovano sulla superficie esterna e interna della membrana. La struttura delle membrane di tutti gli altri organelli è simile alla membrana plasmatica. Struttura: un doppio strato di lipidi, proteine, carboidrati. Funzioni: restrizione, conservazione della forma della cellula, protezione contro i danni, regolatore dell'assunzione e rimozione delle sostanze.

Lisosomi. I lisosomi sono organelli membranosi. Hanno una forma ovale e un diametro di 0,5 micron. Contengono una serie di enzimi che scompongono la materia organica. La membrana dei lisosomi è molto forte e impedisce la penetrazione dei propri enzimi nel citoplasma della cellula, ma se il lisosoma viene danneggiato da influenze esterne, l'intera cellula o parte di essa viene distrutta.
I lisosomi si trovano in tutte le cellule di piante, animali e funghi.

Effettuando la digestione di varie particelle organiche, i lisosomi forniscono ulteriori "materie prime" per i processi chimici ed energetici nella cellula. Durante la fame, le cellule dei lisosomi digeriscono alcuni organelli senza uccidere la cellula. Tale digestione parziale fornisce alla cellula il minimo necessario di nutrienti per un certo periodo. A volte i lisosomi digeriscono cellule intere e gruppi di cellule, che svolgono un ruolo essenziale nei processi di sviluppo negli animali. Un esempio è la perdita della coda durante la trasformazione di un girino in una rana. Struttura: vescicole di forma ovale, membrana all'esterno, enzimi all'interno. Funzioni: scomposizione delle sostanze organiche, distruzione degli organelli morti, distruzione delle cellule esaurite.

Complesso di Golgi. I prodotti della biosintesi che entrano nei lumi delle cavità e dei tubuli del reticolo endoplasmatico vengono concentrati e trasportati nell'apparato di Golgi. Questo organello ha una dimensione di 5-10 µm.

Struttura: cavità circondate da membrane (vescicole). Funzioni: accumulo, impaccamento, escrezione di sostanze organiche, formazione di lisosomi

Reticolo endoplasmatico. Il reticolo endoplasmatico è un sistema per la sintesi e il trasporto di sostanze organiche nel citoplasma di una cellula, che è una struttura traforata di cavità collegate.
Un gran numero di ribosomi è attaccato alle membrane del reticolo endoplasmatico, i più piccoli organelli cellulari che sembrano una sfera con un diametro di 20 nm. e costituito da RNA e proteine. I ribosomi sono dove avviene la sintesi proteica. Quindi le proteine ​​appena sintetizzate entrano nel sistema di cavità e tubuli, attraverso i quali si muovono all'interno della cellula. Cavità, tubuli, tubuli delle membrane, sulla superficie delle membrane dei ribosomi. Funzioni: sintesi di sostanze organiche con l'ausilio di ribosomi, trasporto di sostanze.

Ribosomi. I ribosomi sono attaccati alle membrane del reticolo endoplasmatico o si trovano liberamente nel citoplasma, sono disposti in gruppi e su di essi vengono sintetizzate le proteine. Composizione proteica, RNA ribosomiale Funzioni: fornisce la biosintesi proteica (assemblaggio di una molecola proteica da).
Mitocondri. I mitocondri sono organelli energetici. La forma dei mitocondri è diversa, possono essere il resto, a forma di bastoncello, filamentosi con un diametro medio di 1 micron. e 7 µm di lunghezza. Il numero di mitocondri dipende dall'attività funzionale della cellula e può raggiungere decine di migliaia nei muscoli volanti degli insetti. I mitocondri sono delimitati esternamente da una membrana esterna, sotto di essa c'è una membrana interna che forma numerose escrescenze - creste.

All'interno dei mitocondri ci sono RNA, DNA e ribosomi. Nelle sue membrane sono integrati enzimi specifici, con l'aiuto dei quali l'energia delle sostanze alimentari viene convertita in energia ATP nei mitocondri, necessaria per la vita della cellula e dell'organismo nel suo insieme.

Membrana, matrice, escrescenze - creste. Funzioni: sintesi di una molecola di ATP, sintesi delle proprie proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi, formazione dei propri ribosomi.

plastidi. Solo nella cellula vegetale: leucoplasti, cloroplasti, cromoplasti. Funzioni: accumulo di sostanze organiche di riserva, attrazione di insetti impollinatori, sintesi di ATP e carboidrati. I cloroplasti hanno la forma di un disco o di una palla con un diametro di 4-6 micron. Con una doppia membrana - esterna e interna. All'interno del cloroplasto ci sono ribosomi del DNA e speciali strutture di membrana - grana, collegate tra loro e alla membrana interna del cloroplasto. Ogni cloroplasto contiene circa 50 grani, sfalsati per una migliore cattura della luce. La clorofilla si trova nelle gran membrane, grazie alle quali l'energia della luce solare viene convertita nell'energia chimica dell'ATP. L'energia dell'ATP viene utilizzata nei cloroplasti per la sintesi di composti organici, principalmente carboidrati.
Cromoplasti. I pigmenti rossi e gialli presenti nei cromoplasti conferiscono a varie parti della pianta il loro colore rosso e giallo. carote, frutti di pomodoro.

I leucoplasti sono il luogo di accumulo di un nutriente di riserva: l'amido. Ci sono soprattutto molti leucoplasti nelle cellule dei tuberi di patata. Alla luce, i leucoplasti possono trasformarsi in cloroplasti (a seguito dei quali le cellule della patata diventano verdi). In autunno, i cloroplasti si trasformano in cromoplasti e foglie verdi e frutti diventano gialli e rossi.

Centro cellulare. Consiste di due cilindri, centrioli, situati perpendicolarmente l'uno all'altro. Funzioni: supporto per filettature mandrino

Le inclusioni cellulari compaiono nel citoplasma o scompaiono durante la vita della cellula.

Le inclusioni dense sotto forma di granuli contengono nutrienti di riserva (amido, proteine, zuccheri, grassi) o prodotti di scarto cellulare che non possono ancora essere rimossi. Tutti i plastidi delle cellule vegetali hanno la capacità di sintetizzare e accumulare nutrienti di riserva. Nelle cellule vegetali, l'accumulo di nutrienti di riserva avviene nei vacuoli.

Grani, granuli, gocce Funzioni: formazioni non permanenti che immagazzinano materia organica ed energia

Nucleo. Busta nucleare di due membrane, succo nucleare, nucleolo. Funzioni: conservazione delle informazioni ereditarie nella cellula e sua riproduzione, sintesi dell'RNA - informativa, trasporto, ribosomiale. Le spore si trovano nella membrana nucleare, attraverso la quale avviene uno scambio attivo di sostanze tra il nucleo e il citoplasma. Il nucleo immagazzina informazioni ereditarie non solo su tutte le caratteristiche e le proprietà di una data cellula, sui processi che dovrebbero procedere ad essa (ad esempio la sintesi proteica), ma anche sulle caratteristiche dell'organismo nel suo insieme. Le informazioni sono registrate nelle molecole di DNA, che sono la parte principale dei cromosomi. Il nucleo contiene un nucleolo. Il nucleo, per la presenza in esso di cromosomi contenenti informazioni ereditarie, svolge le funzioni di un centro che controlla tutta l'attività vitale e lo sviluppo della cellula.