Appunti di Biologia Generale dall'Università degli Studi di Firenze

CELLULA: UNITÀ BASE DEGLI ORGANISMI

PERCHÉ LA CELLULA È PICCOLA?

All'aumentare delle dimensioni della cellula la sua area superficiale si accresce proporzionalmente in misura minore rispetto al suo volume. Quindi un oggetto più piccolo a un rapporto area superficiale/ volume maggiore. La necessità di un'area 5 1# superficiale sufficientemente ampia per , 1% (b) (c) mantenere un certo volume consente di Superficie totale 6 (altezza × larghezza x numero di lati x numero di cubi) spiegare le microscopiche dimensioni delle 150 750 cellule. In ormai organismo di dimensioni maggiori non sono costituiti da cellule più Volume totale 125 (altezza x larghezza x numero 1 125 di cubi) grandi, ma da un numero maggiore di cellule. Ho un rapporto sufficientemente Rapporto superficie-volume 1,2 (area + volume) elevato tra area superficiale e volume 6 6 cellulare risulta importante nelle cellule che effettuano scambi con l'ambiente. Ad esempio quelle intestinali che sono dotati di sottili propaggini, i microvilli, che emergono dalla loro superficie e hanno funzione di ampliare l'area superficiale della cellula senza un aumento apprezzabile del volume.

La superficie aumenta mentre il volume resta costante

MICROSCOPIA

Con rarissime eccezioni, le cellule sono troppo piccole per essere viste ad occhio nudo; in nessun caso si può capire la loro struttura interna. Occorre quindi impiegare MICROSCOPI, che ingrandiscano le strutture e ne rendano apprezzabili all'occhio i particolari di struttura. La capacità di rendere distinguibili i dettagli di una struttura si definisce RISOLUZIONE; la risoluzione si misura dalla distanza minima che devono avere due punti per essere percepiti come separati tra loro.

POTERE DI RISOLUZIONE

• Occhio umano: minima distanza percepita fra due oggetti 100 mm (0,1 mm)
• Microscopio ottico: minima distanza percepita fra due oggetti 200 nm (0,2 mm)
• Microscopio elettronico: minima distanza percepita fra due oggetti 1-2 nmq12

Tre importanti parametri nella microscopia sono l'ingrandimento, la risoluzione e il contrasto. L'ingrandimento è il rapporto tra la dimensione dell'immagine dell'oggetto e la sua dimensione reale. La risoluzione, indica la nitidezza dell'immagine, consiste nella minima distanza che intercorre tra punti separati e ancora riconoscibili come punti distinti. Infine il contrasto rappresenta la differenza in luminosità tra le aree chiare e quelle scure di un'immagine; per accentuare il contrasto esistono metodi quali la colorazione o la marcatura di componenti cellulari.

LA LEGGE DI ABBÉ DEFINISCE IL LIMITE TEORICO DELLA RISOLUZIONE

A = lunghezza d'onda, nella luce visibile 400 nm< < 700 nm n = indice di rifrazione del mezzo fra campione e obiettivo (n aria = 1) a= apertura angolare dell'obiettivo, emiangolo del cono di luce che dal campione entra nella lente nella maggior parte delle lenti a = 70°; sena = 0,94 nsena è l'apertura numerica della lente LR = 1 / 2 n sena Con i microscopi ottici LR = 400 nm/ 2 x 0.94 ~ 200 nm (0,2 pm), ma a causa delle aberrazioni ottiche R = 300 nm. LR si può arrivare fino a ~ 200-150 nm interponendo mezzi con n (1,5) maggiore fra obiettivo e vetrino (microscopia ad immersione). Il limite di risoluzione (la migliore risoluzione possibile) stabilisce un limite superiore all'ingrandimento utile, ossia all'ingrandimento che consente di non perdere di risoluzione. In pratica il maggiore ingrandimento è ~ 1000 volte l'apertura numerica della lente

• Microscopi ottici 0.94 x 1000 ~ 1000 (più realisticamente 500)
• Microscopi ottici con obiettivo a imm 1.4 x1000 ~ 1400 (più realisticamente 700)
• Microscopi elettronici ~ 500 000

Si parla di ingrandimento a vuoto quando l'ingrandimento porta ad un peggioramento della qualità dell'immagine.

MICROSCOPIO OTTICO

Si realizza il passaggio della luce visibile prima attraverso il campione biologico e poi attraverso un sistema di lenti. Le lenti deviano la luce in modo tale che l'immagine del campione, proiettata verso gli occhi dell'osservatore oppure su una lastra fotografica, risulti ingrandita.

Microscopio ottico composto

L'ingrandimento si calcola moltiplicando l'ingrandimento dell'obiettivo x quello dell'oculare. Gli ingrandimenti sono indicati sulle lenti, insieme alla loro apertura numerica (n sena).

Immagine virtuale ingrandita dell'oggetto (si forma grazie all'oculare)

Immagine reale ingrandita dell'oggetto (si forma grazie all'obiettivo).

ONlare Linea di osservazione Perco so della luce Prisma Tubo del corpo V Obiettivi Campione Lenti condensatrici Illuminatore : Base con sorgente d'illuminazione

L'apertura numerica determina il potere di risoluzione dell'obiettivo.

MICROSCOPIO ELETTRICO

Indirizza un fascio di elettroni accelerato(attraverso il campione o una sua superficie) in un campo magnetico, si comporta come una radiazione la cui lunghezza d'onda. A=12 nm/ V V; se V=50.000 volt (nei ME V è compreso fra 10.000 e 100.000) A=0.05 nm; La risoluzione è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda della luce impiegata per ottenere l'immagine e i fasci di elettroni sono caratterizzati da lunghezze d'onda notevolmente inferiori rispetto alla luce visibile. La risoluzione del microscopio elettronico è circa 102-103 volte maggiore di quella del microscopio ottico. Nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM) utilizzato per lo studio della struttura interna delle cellule. il fascio di elettroni attraversa una sezione sottile del campione(50-80 nm), esso viene colorato con atomi di metalli pesanti che amplificano la densità ottica di alcune parti e il fascio di elettroni viene bloccato dalle zone opache agli elettroni. La risoluzione sperimentale degli strumenti più moderni è 0.2 nm.Gli elettroni vengono accelerati e concentrati, poi passano attraverso il campione che contiene zone elettrontrasparenti e elettrondense. L'immagine formata dai fasci di elettroni che hanno attraversato il campione vengono ingrandite e impressionano una lastra fotografica. Il sistema è sotto vuoto. Nel microscopio elettronico a scansione(SEM) viene utilizzato per studi della superficie di un campione. un fascio di elettroni primari viene diretto su un campione coperto con un sottile strato metallico che rilascia elettroni secondari. Essi vengono rilevati da uno H.V. generatore di elettroni strumento che traduce il quadro della distribuzione degli fascio di elettroni primari elettroni in un segnale elettronico visualizzato in un monitor. L'immagine che si forma rende conto della struttura tridimensionale con una risoluzione di = 20 nm. Il lenti elettroniche SEM ha un'elevata profondità di campo (fini ad alcuni um) e consente di ottenere immagini tridimensionali. sistema per scansione I campioni vengono preparati tramite una disidratazione controllata che non altera la struttura cellulare e successivamente coperte con atomi metallici. Entrambi i SEM e TEM utilizzano lenti elettromagnetiche che deviano la traiettoria degli elettroni focalizzando immagine su un monitor. sistema di generazione immagine rivelatore elettroni secondari campione camera portacampione Uno svantaggio della microscopia elettronica è che i metodi di preparazione del campione uccidono le cellule e possono creare artefatti, cioè caratteristiche strutturali visibili che non corrispondono alla reale struttura della cellula vivente.

PREPARAZIONE DI PREPARATI(VETRINI) PER MICROSCOPIA OTTICA:

• Prelievo: espianto dell'organo o tessuto, materiale prelevato fresco.
• Fissazione: può essere chimica con uso di alcol etilico(precipita le proteine) o l'aldeide formica al 10%(formalina) oppure può essere fisica con l'uso del congelamento rapido che evita la formazione di grandi cristalli di acqua(non serve poi la disidratazione e l'inclusione in paraffina). Essa è utile per fare in modo che la cellula sia più possibile vicino a come era da viva.
• Disidratazione: sostituzione graduale dell'acqua con etanolo, che non provoca coartazione dei campioni.

• Inclusione: il suo scopo è ottenere campioni duri per il sezionamento. Viene usata la paraffina o xilosi-paraffina. Il campione viene posizionato in contenitori sagomati riempiti con paraffina liquida e poi fatto solidificare a temperatura ambiente.
• Sezionamento: usare pinze molto affilate, evitare deformazioni improprie.
• Reidratazione e sparaffinatura;
• Risciacquo in acqua distillata;
• Colorazione: aumenta il contrasto presente tra diverse strutture cellulari, tale da permetterne il riconoscimento nelle sezioni istologiche.
• Risciacquo in acqua distillata;
• Disidratazione;
• Montaggio chiusura del preparato con vetrino copri-oggetto;
• Vetrino pronto per l'Osservazione.

Cellule procariote(eubatteri ed archeobatteri)

Sono prive di un vero e proprio nucleo e degli altri organelli delimitati da membrana presenti nella cellula eucariotica. Presenta una struttura molto più semplice, ma la struttura cellulare di base è simile all'eucariotica. Le dimensioni si aggirano a 1-5 pm e possono avere varie forme:

• Cocchi a sfera;
• Bacilli a bastoncino;
• Spirilli;
• Vibrioni a "virgola".

Strutture principali cellule procariotiche:

Presentano una struttura che le delimita e che funziona da barriera selettiva: la membrana citoplasmatica. Essa consente il passaggio di una sufficiente quantità di ossigeno e nutrienti non che l'eliminazione di molecole di scarto. Al loro interno è presente una sostanza gelatinosa definita citosol nel quale sono sospesi i componenti subcellulari. Contengono cromosomi e ribosomi. Il DNA è concentrato in una regione del citoplasma definita nucleoide. La parte interna è definita citoplasma, il citoplasma procarioti co non è una "zuppa" amorfa. Per esempio in alcuni procarioti esistono regioni circondati da proteine nelle quali avvengono delle reazioni. Hanno generalmente le dimensioni minori rispetto a quelle eucariotiche.

• Pili: Sono strutture di adesione presenti sulla superficie di alcuni procarioti.
• Regione nucleoide: sede del DNA della cellula; non è delimitata da membrana.
• Ribosoma: Organelli deputati alla sintesi proteica; I batteri e gli archeobatteri hanno ribosomi più piccoli chiamati ribosomi 70S, che sono composti di una subunità minore 30S e di una maggiore 50S. La S sta per Svedbergs o fattore di Sedimentazione che misura quanto velocemente si sedimenta.
• Membrana citoplasmatica: Formata da un doppio strato fosfolipidico in cui le parti idrofobe dei fosfolipidi e delle proteine di membrana si trovano all'interno, mentre le parti idrofile sono a contatto con le soluzioni acquose presenti esternamente in entrambi i lati.
• Parete cellulare: struttura rigida all'esterno della membrana citoplasmatica formata da peptidoglicani(mureina) negli eubatteri o polisaccaridi/proteine negli Archei. I peptidoglicani hanno una struttura data da catene polimeriche tenute insieme da legami crociati a formare una fitta rete la cui struttura ricorda la maglia di ferro medievale. I polimeri che formano le lamine sono composti da catene di zuccheri in cui si alternano due differenti monomeri: l'acido N-acetilmuramico e l' N-acetil glucosammina. Si definiscono Gram-positivi i batteri che rimangono colorati di viola dopo aver subito la colorazione di Gram. Si contrappongono ai batteri Gram-negativi, che invece diventano