La cellula

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Testo

Membrana plasmatica
La membrana plasmatica avvolge la cellula determinando la costanza dell'ambiente interno rispetto a quello esterno. Al microscopio ottico appare formata da tre strati: due piщ scuri ed uno piщ chiaro compreso tra i due. A livello strutturale la membrana plasmatica и costituita da un doppio strato lipidico con un gran numero di molecole proteiche. I lipidi di membrana dei procarioti sono principalmente i fosfolipidi, mentre sono assenti, rispetto agli eucarioti, gli steroli quali il colesterolo. Il modello piщ soddisfacente di membrana и il modello a mosaico fluido, secondo cui i lipidi costituiscono la matrice fluida in cui sono immerse le proteine globulari, libere di muoversi nel piano della membrana. La membrana plasmatica regola il flusso di sostanze tra ambiente interno ed esterno; и il sito di molti sistemi enzimatici come le permeasi che sono responsabili del trasporto dei nutrienti; apparati enzimatici che gestiscono la funzione respiratoria e fotosintetica. In molti batteri la membrana plasmatica presenta delle invaginazioni, chiamate mesosomi; secondo alcuni potrebbero essere coinvolti nel processo riproduttivo oppure come centri aggiuntivi di attivitа metabolica respiratoria e fotosintetica.

Parete
La parete cellulare и caratterizzata dal peptidoglicano o mureina, la cui caratteristica и la presenza di aminoacidi nella configurazione D, rara nelle strutture biologiche e tale da rendere i peptidoglicani resistenti all'azione dei comuni enzimi proteolitici, specifici per gli L-amminoacidi. Si viene cosм a creare attorno alla cellula una struttura rigida e robusta, una specie di maglia a rete che determina la forma e protegge le cellule dalle sollecitazioni meccaniche e dalla lisi osmotica. Queste funzioni del peptidoglicano sono state scoperte grazie all'azione di un agente di demolizione chiamato lisozima. Quando cellule bastoncellari vengono poste in soluzione isotonica e trattate con lisozima esse rimangono vitali ma, a seguito della perdita delle parete, diventano di forma sferica e sono chiamate protoplasti. Le stesse cellule poste in soluzione ipotonica e trattate con lisozima, muoiono per lisi osmotica. Il peptidoglicano quindi regola la pressione dell'acqua dall'interno contro la parete, impedendo un rigonfiamento della cellula e quindi la sua morte.
Vari studi hanno evidenziato l'esistenza di due modelli strutturali di parete confermando cosм il diverso comportamento delle cellule alla colorazione di Gram che utilizza in sequenza due coloranti diversi, il cristal violetto, che colora le cellule in viola e la safranina che le colora in rosso. I batteri che resistono all'azione del solvente e rimangono viola sono indicati Gram+; quelli che vengono decolorati e assumono il colore rosso sono detti Gram- . La parete dei Gram+ и formata principalmente da peptidoglicano, dal 40 all'80% del peso secco associato agli acidi teicoici. Gli acidi teicoici sono polimeri del glicerolo e si ritiene che possano funzionare da recettori per le sostanze organiche esterne. La parete dei Gram- appare pluristratificata: a ridosso della membrana plasmatica in una matrice piщ chiara detta periplasma si evidenzia una sottile linea scura di peptidoglicano, mentre verso l'esterno и presente un doppio strato simile alla membrana plasmatica, indicato come membrana esterna. La membrana esterna и simile alla membrana cellulare ma presenta una molecola particolare detta lipopolisaccaride.

Capsula
La capsula и presente nei batteri patogeni e ne determina la pericolositа; si trova all'esterno della parete e puт avvolgere una o anche piщ cellule (come nei pneumococchi). E' formata da mucopolisaccaridi che vengono secreti dalla cellula stessa. E' un rivestimento accessorio; infatti non tutti i batteri lo producono e possono perdere tale capacitа in coltura senza morire. La capsula svolge diverse funzioni: favorisce l'adesione delle cellule ai substrati per facilitare l'assunzione dei nutrienti, conferisce protezione contro l'inglobamento fagocitario da parte dei protozoi, inoltre rallenta la penetrazione dei farmaci.

Flagelli
I flagelli sono gli organuli del movimento. Sono costituiti da una particolare proteina chiamata flagellina, organizzata in filamenti elicoidali avvolti intorno ad una cavitа centrale. I flagelli si muovono mediante l'impulso che ricevono dal corpo basale; questo serve da ancoraggio al flagello ed ha una particolare struttura ad anelli. Il corpo basale imprime movimenti rotatori che fanno muovere il flagello. Il numero e la disposizione dei flagelli puт variare: si dicono monotrichi i batteri con un solo flagello ad un unico polo della cellula, anfitrichi con due flagelli ai due poli, lofotrichi con flagelli a ciuffo, al/ai poli, peritrichi con flagelli distribuiti sull'intera superficie cellulare. Il movimento puт essere casuale oppure in risposta a segnali chimici o luminosi. Tali comportamenti sono chiamati chemiotassi e fototassi. Nella chemiotassi le cellule batteriche vengono attratte da sostanze nutritive spostandosi verso la zona a concentrazione ottimale o respinte da sostanze tossiche. Nella fototassi i batteri fotosintetici sono attratti dalla luce.

Pili
I pili sono tipici dei bacilli Gram- ; sono piщ corti dei flagelli e sono formati dalla pilina, avente organizzazione cellulare simile a quella dei flagelli. Non sono coinvolti con il movimento ma svolgono altre funzioni. i piщ noti sono i pili sessuali, internamente cavi, che entrano in funzione nella coniugazione. Esistono poi altri pili che hanno la funzione di aderire al substrato.

Inclusioni citoplasmatiche
Oltre ai mesosomi possono essere presenti altri due tipi di componenti cellulari: vescicole e inclusioni granulari. Le vescicole sono comparti separati dalla massa citoplasmatica da una membrana citoplasmatica. Hanno la funzione di concentrare al loro interno determinate sostanze. Nei protozoi le vescicole possono differenziarsi in vacuoli contrattili. Le inclusioni granulari sono invece zone di accumulo di varie sostanze che costituiscono le riserve energetiche della cellula, da ricordare i granuli di volutina tipici della difterite.

Ribosomi
I ribosomi dei procarioti sono simili nella forma e nella funzione ai ribosomi eucariotici ma possono differenziarsi per il loro peso molecolare minore. Hanno una struttura ben definita formata da due subunitа, la subunitа minore и costituita da una molecola di RNA ribosomiale (rRNA)legata a 21 proteine diverse mentre la subunitа maggiore и formata da due diverse molecole di rRNA e da circa 34 proteine.

Materiale nucleare
I procarioti sono sprovvisti della membrana nucleare e pertanto il loro materiale nucleare non и separato dal resto del contenuto citoplasmatico. I procarioti contengono una sola molecola di DNA che costituisce un unico cromosoma circolare di tipo aploide, contenente l'informazione per circa 300 proteine, numero necessario per la funzione dei batteri. Una piccola parte dei geni, non indispensabili alla vita, и extracromosomica costituiscono particolari strutture dette plasmidi il loro numero puт variare da uno fino a cento e contengono le informazioni per la resistenza agli antibiotici, la coniugazione batterica e la capsula. I plasmidi sono indispensabili per l'ingegneria genetica.

Spore
Diversi batteri sono in grado di produrre forme cellulari particolari per poter sopravvivere in condizioni sfavorevoli. Queste forme cellulari vengono chiamate spore e poichй si originano all'interno della cellula madre vengono indicate come endospore. La cellula normale, senza spora, viene indicata con il nome di cellula vegetativa. Le spore sono metabolicamente inattive, resistono alle alte e basse temperature, agli agenti chimici, alle radiazioni ultraviolette, alle sollecitazioni meccaniche, alla carenza di sostanze nutritive ed all'invecchiamento. La funzione delle spore и quindi quella di proteggere il genoma da condizioni ambientali sfavorevoli utilizzando un involucro isolante. I piщ importanti batteri sporigeni sono i Gram+ come i Bacillus e Clostridium. Le spore sono forme sferiche costituite da un citoplasma ridotto e da un genoma completo di DNA a doppia elica e gli apparati fondamentali per la produzione di energia e per la biosintesi. Il contenuto citoplasmatico и avvolto da diverse membrane protettive:
la membrana sporale, costituita da due unitа concentriche interna ed esterna;
la corteccia, formata da dipicolinato di Ca e peptidoglicano resistente agli agenti di calore e agli urti;
il mantello formato da amminoacidi solforati e da cisteina che protegge la cellula dall'ultravioletto.
Tutte queste membrane rendono la cellula resistente agli agenti chimici. I batteri sporigeni alternano alla divisione cellulare la formazione di spore o sporulazione; le cellule incominciano a produrre spore quando si duplicano dopo aver esaurito le sostanze nutritive. Alla duplicazione del DNA segue, ad un polo, la formazione di un setto membranoso che ingloba il cromosoma e separa la spora dal resto della cellula. Raggiunta la maturazione la spora viene liberata dalla cellula madre in seguito all'azione degli enzimi litici. La formazione di una cellula vegetativa da una spora si chiama germinazione. si realizza inoculando le spore in terreni contenenti induttori della germinazione.
Alcuni batteri producono forme di sopravvivenza dette cisti, che resistono all'essiccamento ma non alle alte temperature. A differenza delle spore, la formazione di cisti non comporta un processo di differenziamento cellulare, in quanto si basa sulla deposizione di materiali di rivestimento esterni.

Fabbisogno energetico
Le due forme di energia che possono essere utilizzate dai procarioti sono: l'energia radiante della luce solare e l'energia chimica derivante dall'ossidazione di molecole nutritive. In entrambi i casi l'energia prodotta viene utilizzata per produrre ATP. Gli organismi capaci di utilizzare la luce solare vengono detti organismi fototrofi o fotosintetici, e sono oltre alle piante verdi, i cianobatteri, le alghe ed alcuni ceppi batterici. Gli organismi capaci di sfruttare l'energia chimica sono detti organismi chemiotrofi o chemiosintetici e sono gli animali, i funghi, i protozoi, e la maggior parte dei batteri. Tutti questi organismi ossidano il loro substrato nutritivo secondo due processi fondamentali.
La fermentazione, tipica dei lieviti e dei batteri, и costituita da una serie di reazioni in ambiente anaerobico, senza ossigeno molecolare, che comportano la degradazione di un substrato nutritivo a un composto organico di minore contenuto energetico che definisce il tipo di fermentazione: alcolica, lattica, acetica, butirrica, propionica.
La respirazione invece, ha nei batteri alcune caratteristiche; infatti oltre alla respirazione aerobica dove il substrato nutritivi si ossida con la contemporanea riduzione dell'ossigeno molecolare, esiste anche la respirazione anaerobica in cui l'accettore finale di elettroni non и l'ossigeno ma altri composti inorganici come nitrati, solfati e carbonati. Gli organismi che dipendono dalla respirazione aerobica vengono detti aerobi obbligati; gli organismi che utilizzano soltanto la respirazione anaerobica senza riuscire a sopportare la presenza di ossigeno sono detti anaerobi obbligati. Gli organismi che possono crescere sia in presenza che assenza di ossigeno sono detti anaerobi facoltativi.

Fabbisogno nutritivo
Indipendentemente dai nutrienti utilizzati le cellule sono composte per il 95% del peso secco da Ossigeno, azoto, carbonio, idrogeno fosforo e zolfo. La loro presenza и quindi indispensabile per permettere la vita cellulare. Altri composti organici, detti fattori di crescita, vengono utilizzati da specie particolari di organismi che non riescono a produrli. Per poter far crescere gli organismi sono necessari alcuni componenti:
Acqua: necessaria per permettere la vita и indispensabile a tutti gli organismi;
Fonte di carbonio: puт essere organica oppure inorganica. Gli autotrofi come le piante, le alghe, i cianobatteri ed alcuni ceppi batterici utilizzano l'anidride carbonica, gli eterotrofi invece richiedono il carbonio organico;
Fonte di azoto: puт essere organico od inorganico; l'azoto organico и quello contenuto nelle proteine, amminoacidi, basi azotate e peptoni (piccoli frammenti di proteine); l'azoto inorganico si presenta sotto forma di nitrati, ammoniaca e azoto atmosferico che viene fissato da alcuni batteri tramite il processo di fissazione biologica dell'azoto;
Fonte di zolfo: si presenta in forma organica negli amminoacidi e nei peptoni mentre in forma inorganica si trova come solfato;
Elementi inorganici essenziali: sono forme minerali presenti in tracce come fosforo, potassio, sodio, cloro e ferro che si aggiungono alla coltura sotto forma di sali inorganici, ed altri elementi presenti in tracce detti oligoelementi che sono dei contaminanti delle colture microbiche e non hanno bisogno di essere aggiunti;
Fattori di crescita: sono essenziali per far crescere i batteri patogeni e sono composti organici di varia natura come amminoacidi, basi puriniche e pirimidiniche, vitamine, acidi grassi ed altro che alcuni organismi non sanno sintetizzare e devono prelevare quelli presenti nell'ambiente.

Assunzione dei nutrienti
L'ambiente ideale che consente la crescita microbica и una sospensione da cui i batteri possono prelevare i propri nutrienti e possono rilasciare le sostanze di rifiuto; queste funzioni sono normalmente regolate dalla permeabilitа selettiva della membrana plasmatica, che regola l'ingresso e la fuoriuscita delle sostanze. Alcune sostanze perт non possono attraversare la membrana plasmatica come alcune macromolecole come amido, cellulosa e i peptidi. I batteri come i funghi ricorrono cosм alla digestione extracellulare; si tratta di un rilascio da parte della cellula di enzimi specifici che demoliscono la macromolecola in sostanze piщ semplici in grado di attraversare la membrana plasmatica. Nei batteri Gram- questo processo avviene nello spazio periplasmatico. Utilizzando strategie particolari i batteri possono sopravvivere in ambienti oligotrofici o poveri di sostanze nutrienti. Questi meccanismi di resistenza sono: la capacitа di accumulare riserve alimentari, la possibilitа di alternare fasi di crescita a fasi di stasi e la capacitа di prelevare dall'ambiente nutrienti a basse concentrazioni.

Temperatura
L'intervallo di temperatura in cui gli organismi possono crescere va da qualche grado centigrado sotto lo zero fino a 90° . il rapporto che esiste tra crescita e temperatura и importante se si pensa che le divisioni cellulari dipendono da alcune reazioni biochimiche che dipendono dalla temperatura. Per ogni specie microbica si possono riconoscere temperature minime, ottimali e massime.
La temperatura minima и la temperatura in cui и ancora possibile la crescita cellulare; al di sotto di questa le cellule possono anche non morire, ma rimanere vitali e moltiplicarsi se ritornano a temperature normali. La temperatura ottimale и quella che rappresenta le condizioni ideali di crescita delle specie microbiche. La temperatura massima и la massima temperatura in cui la specie puт crescere, oltre questa le cellule muoiono per denaturazione proteica.
In base alle temperature minime, ottimali e massime dette temperature cardinali si possono differenziare tre tipi di microrganismi differenti:
psicrofili: crescono a 0° ma mentre gli psicrofili obbligati hanno temperature ottimali intorno ai 15° e non crescono a 20°, gli psicrofili facoltativi crescono a meglio a 25°
mesofili: hanno varie temperature ottimali intorno ai 25-40°, sono molto vari ma nessuno cresce a 0° e oltre 50°
termofili: crescono sopra i 55° e temperatura minima a 37°. Alcuni batteri termofili estremi riescono a crescere a 70-80° con temperature massime di 85°.

Pressione osmotica
I microrganismi hanno una concentrazione interna di soluti superiore a quella extracellulare; in questo modo l'acqua fluisce all'interno della cellula mantenendola turgida. Un eccessivo ingresso di acqua viene regolata dalla parete cellulare che evita la rottura della cellula; se la pressione osmotica interna и minore rispetto quella esterna la membrana si danneggia e la cellula muore per plasmolisi. I microrganismi sono capaci di sopportare alte pressioni osmotiche come alcuni lieviti e muffe che riescono nel miele e nelle marmellate con concentrazioni di zuccheri superiori al 40% e sono detti osmofili, oppure ad alte concentrazioni di NaCl e sono detti alofili. Gli alofili sono batteri marini che vivono in ambienti con concentrazioni del 3-4% di sale; sono alofili estremi alcuni archebatteri che sopravvivono in pozze e laghi salati con concentrazioni di sale del 36%, prossima alla saturazione. La capacitа di questi organismi di sopravvivere in ambienti cosм concentrati и data dalla loro concentrazione interna superiore a quella esterna; questo sembra sia mantenuta attraverso un accumulo intracellulare di ioni K+.

Presenza di ossigeno
Oltre alla differenza tra aerobi e anaerobi esistono anche altri comportamenti; alcuni aerobi obbligati, detti microaerofili crescono ad una concentrazione di ossigeno piщ bassa di quella atmosferica (2-5% contro il 20%); esistono anche gli anaerobi tolleranti che riescono a vivere in presenza di ossigeno ma non riescono a sfruttarlo. L'ossigeno и cosм velenoso per gli anaerobi per conseguenza del fatto che alcune reazioni cellulari danno come rifiuto il perossido d'idrogeno, forte ossidante il cui accumulo и nocivo per le cellule. La riduzione cellulare dell'O2 puт portare alla formazione di radicali liberi, soprattutto radicali superossidi che avendo molti elettroni spaiati sono estremamente reattivi e reagiscono con altre molecole. Dalla reazione si formano altri radicali liberi che iniziano una sequenza di reazioni dannose per la cellula. Negli aerobi questo viene evitato dall'azione di alcuni enzimi che trasformano i superossidi in perossido d'idrogeno e questi in acqua e ossigeno molecolare.

pH del mezzo di crescita
Il pH del mezzo condiziona l'attivitа metabolica dei microrganismi influenzandone la crescita . le strutture cellulari piщ influenzabili dal pH sono la membrana plasmatica e le proteine enzimatiche che sono soggette a cambiamenti che possono riflettersi sul funzionamento. Anche per il pH si possono individuare intervalli di valori caratteristici per ogni specie, entro cui i microrganismi si sviluppano. Pur esistendo specie acidofile o alcalofile la maggior parte dei batteri puт crescere in un intervallo di pH compreso tra 5 e 9 e hanno valori ottimali intorno alla neutralitа.
Lieviti e muffe crescono meglio in un pH compreso tra 4,5 e 6. I protozoi crescono meglio tra pH 6 e pH 8 mentre le alghe hanno valori ottimali leggermente al di sotto della neutralitа. Come il pH del mezzo influisce sulla crescita microbica anche i prodotti del metabolismo microbico condizionano il pH del mezzo di crescita. Dalla degradazione delle proteine e degli altri composti azotati si liberano infatti ammoniaca e sostanze alcaline, mentre dalla fermentazione dei carboidrati si originano composti acidi. Poichй gli ambienti acidi bloccano la crescita di specie putrefattive che crescono meglio in pH basici alcuni alimenti come o yogurt vengono sottoposti a fermentazione acida abbassando cosм il pH da 7 a 3,5.

Terreni di coltura
I terreni di coltura sono i substrati dove si possono far crescere i microrganismi; essi sono costituiti da estratti di tessuti animali e vegetali; si possono trovare in commercio sotto forma di terreni disidratai o pronti all'uso in piastra. Il vantaggio dei terreni disidratati и la loro durata di conservazione e il loro costo accessibile.

Preparazione e conservazione dei terreni di coltura
A) Calcolo del quantitativo totale di terreno che si intende utilizzare.
B) Pesata della polvere e sua dissoluzione in acqua distillata, agitando bene per ottenere una soluzione omogenea. Le polveri dei terreni liquidi per solubilizzarsi richiedono la temperatura ambiente; i terreni contenti agar invece vanno riscaldati. Un terreno ben sciolto presenta un aspetto chiaro e limpido.
C) Controllo del pH che va eventualmente aggiustato aggiungendo acidi o basi
D) Distribuzione del terreno negli opportuni contenitori e chiusura degli stessi con tappo di metallo. Le provette destinate all'autoclavatura non vanno chiuse ermeticamente per permettere all'aria di fuoriuscire ed evitare cosм la rottura dei contenitori stessi.
E) Sterilizzazione. E' un'operazione fondamentale in quanto serve a garantire che il terreno destinato alla coltura sia sterile. La sterilizzazione avviene in autoclave ponendo il terreno a 121°C per 15'. Al termine della sterilizzazione occorre ricontrollare il pH, che non deve aver subito variazioni. Eventuali aggiunte di composti vanno fatte in ambiente sterile.
F) Piastramento del terreno. Il terreno viene riposto nelle piastre di Petri in ambiente sterile e con i terreni a temperature comprese tra 46° e 50° C per evitare la solidificazione del terreno o la formazione di condensa sul terreno stesso.
G) Conservazione dei terreni. I terreni vanno riposti in frigo a 4° C protetti dalla luce. La durata della conservazione и variabile.

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