La citologia è lo studio dell'organizzazione cellulare. La cellula è circondata da membrane costituite da lipidi. La membrana regola gli scambi tra le varie sostanze. Le proteine operano il trasporto di sostanze tra le membrane.
La cellula è un sistema complesso formato fondamentalmente da un nucleo e una membrana. Il secondo principio della termodinamica dice che un sistema isolato tende a disorganizzarsi nel tempo (l'energia libera diminuisce). La cellula, invece, mantiene questa organizzazione; quindi essa scambia energia, l'acquista e l'utilizza.
Le cellule vegetali acquistano energia dal sole (cellule autotrofe: trasformano cioè le sostanze inorganiche in sostanze organiche) mentre altre acquistano energia da sostanze organiche già formate (cellule eterotrofe). Assimilano quindi i componenti energetici e producono altre sostanze (biosintesi) e crescono in dimensione (accrescimento). Poi, cellule che hanno lo stesso tipo di organizzazione della cellula madre si possono riprodurre per dare origine a cellule figlie trasmettendo i caratteri ereditari della cellula madre.
FUNZIONI DELLA CELLULA
| ASSORBIMENTO | |
| ASSIMILAZIONE | biosintesi - accrescimento |
| RIPRODUZIONE | |
| TRASMISSIONE DEI CARATTERI EREDITARI | |
| IRRITABILITÁ | conducibilità - risposta coerente |
La trasmissione avviene attraverso gli acidi nucleici (DNA) che portano l'ereditarietà di una cellula in un'altra. I vari componenti cellulari sono poco reattivi, quindi in ogni cellula qualsiasi reazione chimica avviene lentamente perchè ogni cellula ha determinati valori costanti, come il pH, la temperatura, ecc. Se questi valori vengono alterati la cellula si danneggia e si decompone. Però in ogni cellula ci sono gli enzimi, che accelerano i processi chimici.
Ogni cellula ha bisogno di grandi quantità di energia, energia di solito di tipo chimico, come l'ATP (adenosintrifosfato), che è una molecola molto solubile in acqua, in grado di liberare grandi quantità di energia. Poi ci sono i grassi, che servono per immagazzinare grandi quantità di energia.
L'irritabilità: ogni cellula percepisce stimoli dall'esterno. Questa irritabilità può variare a seconda del tipo di cellula. Ci sono i recettori che avvertono del cambiamento delle condizioni ambientali. L'inibizione da contatto è un tipo di irritabilità, che in questo caso ferma la riproduzione delle stesse cellule; al contrario delle cellule tumorali, che non arrestano più la riproduzione.
La conducibilità: può essere ad esempio la contrazione nervosa che si ripercuote nei muscoli; per risposta il muscolo scatta.
CENNI STORICI
MIESCHER: scoprì il DNA nel 1869 nel pus isolandolo da un virus
AVERY: scoprì la funzione del DNA nel 1944 tramite la diffrazione a raggi X
TEMIN: nel 1960 scoprì che la sequenza DNA → RNA → PROTEINE poteva essere anche RNA ↔ DNA
Le scienze biologiche e naturali fino ad ARISTOTELE erano solo scienze filosofiche. Poi con GALILEO si arrivò al metodo sperimentale coadiuvato dall'invenzione del microscopio da parte di JANSENN (1590). Nel 1665 l'inglese Robert HOOKE scoprì le cellule con quel microscopio osservando una fettina di sughero e diede il nome di "cellula" alle piccole cellette vegetali del sughero. Contemporaneamente l'olandese LEEUWENHOEK scoprì il nucleo delle cellule e diversi tipi di batteri ed alcune cellule "libere". Nessuno ancora si rendeva conto che la cellula è in ogni organismo vivente. Si arriva quindi al francese BICHAT (1800) che identificò 20 tessuti formati da cellule. Nel 1831 BROWN scoprì che il nucleo è in tutte le cellule. SCHLEIDEN e SCHWANN (1839) furono i primi ad avanzare una "teoria cellulare" applicata a tutti gli esseri viventi. Secondo loro la cellula ha un nucleo e delle sostanze intorno ad esso (CARIOPLASMA e CITOPLASMA).
Con questa teoria nasce in pratica la CITOLOGIA. VIRCHOW (1855) disse che una cellula derivava da una precedente. Contemporaneamente ci fu un miglioramento nella risoluzione del microscopio ottico. Negli anni a seguire FLEMING (1880) con ALTMANN e GOLGI (1895) fecero importanti scoperte. DARWIN (1859) ipotizzando le sue teorie dell'evoluzione appoggio molto le teorie cellulari. MENDEL (1865) fu ripreso nel 1900 da CORRENS. DE VRIES ipotizzò la funzione dei geni nell'ereditarietà. MORGAN (1910) scoprì i cromosomi. ZERNICKE (1938) ideò il contrasto di fase per il microscopio, che permette di osservare cellule vive e non uccise con l fissaggio. RUSKA (1940) inventò il microscopio elettronico.
UNITÁ DI MISURA
Lunghezza
1 mm (millimetro) → 10-3 m
1 μm (micrometro) 1/1000 di mm → 10-6 m
1nm (nanometro) 1/1000 di μm → 10-9 m
1 Å (angstrom)* 1/10 di nm → 10-10 m
* L' Ångstrom non è una unità SI ma viene ancora largamente utilizzata da molti tecnici, per cui è sempre utile sapere quanto vale.
Massa
1 mg (milligrammo) → 10-3g
1 μg (microgrammo) 1/1000 di mg → 10-6g
1 ng (nanogrammo) 1/1000 di μg → 10-9g
1 pg (picogrammo) 1/1000 di ng → 10-12g
UNITÁ S (Svedberg) o costante di sedimentazione
É la misura indiretta del peso molecolare. Dalla centrifugazione frazionata i componenti dell'elemento studiato tendono a cadere in basso durante la rotazione. Le particelle più dense (come i nuclei) cadono più velocemente. Con questo metodo è possibile approssimere le differenti masse alle varie particelle.
Scala delle dimensioni in citologia e campo di visibilità di vari elementi (clicca per ingrandire)
DIMENSIONI
Tra gli organismi unicellulari viventi più piccoli (i virus sfuggono a questa classificazione) troviamo i micoplasmi o PPLO (pleuro pneumoniae like organism) cioè provocano la polmonite. Sono batteri che si riproducono in modo autonomo. Tolta l'acqua contengono circa 1600 macromolecole (DNA, RNA e proteine). In via teorica le funzioni necessarie (reazioni) alla vita autonoma di un microrganismo sono circa 500. Per ogni singola funzione si ha bisogno di un tratto di RNA, un tratto di DNA e 1 proteina per cui 3x500= 1500, che sono circa 1600. I micoplasmi sono le cellule più piccole (100 nm idratate, 10 nm disidratate). Le più grandi sono le uova di struzzo, con un diametro medio di 10 cm. Non è possibile raggiungere dimensioni più grandi: la formula di Hertwig dice che il rapporto nucleoplasmatico, cioè Volume nucleo/Volume citoplasma tende ad essere generalmente costante in una linea cellulare e non può superare certi valori. Se il volume del citoplasma fosse maggiore di quello del nucleo, le proteine passerebbero troppo velocemente e la cellula si distruggerebbe.
Il rapporto Volume cellula/Superficie cellula è detto "fattore limitante". Infatti il volume aumenta con r3 mentre la superficie con r2; per ovviare all'inconveniente la cellula varia la sua forma (ad esempio le cellule nervose) a seconda dell'attività funzionale.
Se aumentasse il volume cellulare la funzionalità diminuirebbe dato che il passaggio DNA → RNA → proteine, sarebbe più lento, dato che aumenterebbe in proporzione la distanza tra i vari organuli cellulari. Una cellula nervosa è quindi più funzionale di una cellula uovo. Le cellule hanno forme diverse, a seconda delle funzioni che svolgono in un organismo.
Diamo un po' di numeri!
Cellula procariote: 0,5 ÷ 10 μm (500÷10000 nm)
Cellula eucariote: 2μm ÷ 10 mm (in genere le cellule animali arrivano fino a 20 μm, quelle vegetali fino a 40 ÷ 50 μm)
Virus: 10 ÷ 200 nm
Membrana plasmatica (spessore): 7,5 nm
Microtubuli (Ø): 25 nm (Ø cavità centrale 14 nm)
Filamenti intermedi (Ø): 10 nm
Microfilamenti di actina: 5 ÷ 6 nm
Microfilamenti di miosina: 10 nm
Microvilli (Ø): 80 nm
Microvilli (lunghezza): 1 μm
Stereociglia (lunghezza): 10 μm
Ciglia (lunghezza): 10 μm
Flagelli (lunghezza): 150 μm
Centriolo (lunghezza): 1 μm
Centriolo (Ø): 0,25 μm
Lisosomi primari (Ø): 0,2 ÷ 1 μm
Perossisomi o microbodies (Ø): 0,6 ÷ 0,7 μm
Mitocondrio (lunghezza): 1 ÷ 6 μm (massimo 10 μm)
Mitocondrio (Ø): 0,2 ÷ 1 μm
