background image

 

 

II

22-07-06

A.Rameshwar

background image

 

 

Lesson Objectives

• Cell theory
• Cell as a structural unit
• Cell as a functional unit
• Structure of cells
• Cells are a bunch of membranes
• What symbiont theory is about?
• What are the techniques of microscopy 

and centrifugation?

background image

 

 

.

Robert Hooke

 

1665 

coined the word `cell’ for the box-like structures 
of cork

background image

 

 

M J Schleiden 

a lawyer turned botanist

 

&

Theodore Scwann

 

an animal embryologist

 

met at dinner party in 1837 

•1839

 formally espoused cell theory 

•the cells are of universal occurrence

 

and 

are

• 

the basic units of an organism

background image

 

 

1849

 Cell division described

1858

 Rudolph  Virchow forcefully 

states the paradigm of cell theory

``

All cells come from previous cells’’

Omnis cellula e cellula

Thus: 

 

all individuals derived from a 
single celled organism are 
related & 

all cells in a multi-celled organism 
are descended from one fertilized 
egg. 

background image

 

 

.

•CELL THEORY is to Biology 

as

 Atomic Theory is to 

physics 

 

background image

 

 

Tenets of the Cell Theory

• all known living things

 

(systems) 

are

 

composed 

of cells

• cells

 arise 

only from other cells

 

     (not spontaneously - experiments of Redi 
and Pasteur)

 

• all

 

energy flow

 (metabolism & biochemistry) 

of life occurs within cells 

• cells contain

 

DNA

 

as genetic info - 

(for 

subsequent generations)

 

 

background image

 

 

Some important facts about cells

        - their 

diversity

 : many sizes, shapes, and types

     (165+ in humans) 

        - their 

similarity

: have same basic structural 

plan 

                  - surrounded by 

cell membrane

 

                  - contain 

nuclei

     (bacteria = 

genophore

                  - similar sub-cell parts (

ORGANELLES

                  - all contain 

same macromolecules

background image

 

 

Different Shapes & 
Forms

background image

 

 

Like a `gare‘ 

or donut

background image

 

 

Scanning electron micrograph of 

human red  blood cells

Sickle cells

background image

 

 

Cell shapes

- conifer early wood

background image

 

 

.

• Mechanism of division was selected 

during evolution

• Cell has volume (3-D)
• Surface membrane is measured in 

square units (2-D)

• Growing beyond limits cause inadequate 

supply of nutrition from environment

• Division solves the problem 

background image

 

 

Why are cells so small?

a. Efficiency:  smaller cells have 

larger surface area 

b. Specialization: Having 

numerous small cells permits 
specialization 

background image

 

 

•As an object increases in size its volume increases as the cube of its 
linear dimensions while surface area increases as the square

Surface area = L X B           Square of two linear dimensions

Volume = L X B X H           Cube of three  linear dimensions

•As these cubes illustrate the surface area to volume ratio of a small 
object is larger than that of a large object of similar shape

•This ratio limits how large cells can be

How large cells can 

be?

background image

 

 

Getting around this problem

Divide to become  

multicelled - 

Embryo

long and thin or skinny 

and flat

many protists, nerve cells, 

muscle cells

background image

 

 

Smaller Particles React Faster Than 

Larger Particles

in Chemical Reactions

• Granular sugar dissolves easier than sugar 

cubes

• Everything that the cell needs or has to get rid
    of has to go through the cell membrane, the 

amount of which relates to the surface area

• Surface must allow sufficient exchange to 

support the contents of the cell

• stops growing when its surface area is 

insufficient to meet the demands of the cell's 
volume

background image

 

 

An Early Cell

background image

 

 

Microscope

• Scientific discoveries follow the 

construction of tools

• Microscope has had a profound influence 

on the development of biology

• Light microscope

: Limited resolution ~ 0.2 

μm, magnification  not > 1500 times

• Electron microscope

: Magnification 

500,000 times- a pin head>1 Km 

diameter! 
Cell ultrastructure
Drawbacks

background image

 

 

Human eye 

limit

Relative Sizes of Cells & 

Components

background image

 

 

limit of resolution of ~ 200 nm 
(0.2 µm)

due to the wavelength of light 
(0.4-0.7 µm). Cells observed 
under a light micro-scope can be 
alive, or fixed and stained 

The light microscope

background image

 

 

limit of resolution of ~ 2nm. 

due to limitations of the lens used 
to focus electrons onto the sample. 

looks at replicas of dead cells, after 
fixation and heavy metal ion 
staining

e

-

 are scattered as they pass  

through a thin section of the 
specimen, & then detected and 
projected onto an image on a  
fluorescent screen. 

The Transmission 
Electron

  Microscope (TEM)

more relevant for 

biological samples

background image

 

 

also has a limit of 2nm

 Like the TEM, allows to look at 

replicas

   of dead cells, after  fixation and 

heavy 

    metal ion staining

electrons reflected off the surface of 

the specimen

The Scanning Electron Microscope 

(SEM)

 

background image

 

 

Cells Have Evolved Two 

Basic Architectural 

Plans

Cells without a nucleus

Cells with a nucleus

“karyon” = kernel or nut; “pro” = before ; “eu” = good or true; • Eukaryotes - “cells with a true 

nucleus”

• Prokaryotes - “cells with no defined nucleus”

background image

 

 

Prokaryotes

• Cells whose nucleus 

is not enclosed in a membrane

• Lack other organelles too

• First to evolve, 

The oldest accepted 

prokaryote fossils date to 3.5 billion years

• Contain

a circular chromosome

    Plasmids with satellite DNA

Ribosomes

food storage granules

background image

 

 

Prokaryotic cell-
Bacterium

background image

 

 

A general prokaryotic cell

 

background image

 

 

background image

 

 

Eukaryotes

• Cells whose nucleus is enclosed in a 

membrane

• Evolved later. 

Eukaryotic fossils date to between 750 

million years and possibly as old as 1.2-1.5 billion years.

 

background image

 

 

background image

 

 

Mango Fruit & Cell

• What will be the 

nucleus 
counterpart?

• Fruit skin is like ?

background image

 

 

Cell as seen with a light microscope

background image

 

 

Fine structure of an animal cell- based on 
electron microscope 

studies 

background image

 

 

Eukayotic cell as seen with an electron 
microscope

background image

 

 

background image

 

 

P

L

A

N

C

e

l

l

background image

 

 

Organelles

• Mitochondria and chloroplasts are 

energy-transducing organelles

• Both seem to share many properties 

with bacteria: 

– contain 70S ribosomes (whereas rest of 

eukaryote cells contain 80S ribosomes)

– divide by binary fission
– contain circular DNA without nucleus, 

etc.

 

background image

 

 

Endosymbiont Theory

 

Symbiosis = "living together“

 

        Lynn Margulis

 

1971

• Chloroplasts and Mitochondria

 

(& undulipodia) 

derived 

from ancient colonization of large bacteria (became 

the eucaryotic cell) by smaller bacteria

• Host cells acquired respiration from the precursor 

of the mitochondrion, and oxygenic photosynthesis 

from the precursor of the chloroplast

• Also acquired much of their genetic information
• Eventually, organelles lost ability to exist as 

separate organisms, cannot have independent 

existence  from cell

background image

 

 

background image

 

 

Some protists

E

n

d

o

S

Y

m

b

I

o

si

s

background image

 

 

background image

 

 

Why double membrane of chloroplast?

Outer membrane of 

organelle originally 

belonged to the host 

cell.

Invagination

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

Images with electron microscope

Mitochondrium

background image

 

 

Cutaway view of 
mitochondrion

Inner membrane more 
active

background image

 

 

background image

 

 

Centrifugation 

• A centrifuge is a device for 

separating particles from a solution 

according to their size, shape, 

density, viscosity of the medium and 

rotor speed

• In biology, the particles are usually 

cells, sub cellular organelles, viruses, 

large molecules such as proteins and 

nucleic acids 

• Instrumental in working out the 

functions of organelles

background image

 

 

Centrifuge

background image

 

 

.

 

CELLS Alive! 

Tutorial

 

http://www.cellsalive.com/

is a highly visual site, where you'll find movies and animated 

illustrations on cell processes, parasites, penicillin and more.

 

• cell.de 

http://www.cells.de/index_e.htm

Online-Service for Cell Biology includes digital media                        

     in internet quality and further information for university and 
high school on cellular and molecular biology. The IWF - 

          

                      

Institute for Scientific Film, Göttingen 

(Germany) prepares 

                                 

educational 

media about cellular and molecular biology                                  

didactically and technically for different media carriers. 

• C. elegans Movies

 

http://www.bio.unc.edu/faculty/goldstein/lab/movies.html

A visual introduction to C. elegans and its development. This page 

has links to movies made by C.elegans researchers worldwide. 

• Biology Mad 

http://www.biologymad.com/

This website is mainly aimed for students studying AQA (spec. A) 

Biology in the UK. It is informative, beautifully designed and 

easy to use. 

Further Help

background image

 

 

.

• Virtual Cell

http://personal.tmlp.com/Jimr57/tour/cell/cell.htm

• Comparison of Prokaryote, Animal and Plant Cells

http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/cell_structure/c

ell_structure.htm

• Interactive Cell Models

http://www.cellsalive.com/cells/3dcell.htm

 

• Organize It!

http://biologyinmotion.com/organize-it/

• MODELING LIMITS TO CELL SIZE

This investigation provides students with a 'hands-on' activity that simulates the 

changing relationship of Surface areas -to- Volume for a growing cell. 

http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/AEF/1996/deaver_cell.html

• Endosymbiotic Theory

 

http://dekalb.dc.peachnet.edu/~pgore/students/w96/joshbond/symb.htm

• A Short History of the Microscope

 

http://www.microscope.org/micro/sm101.htm

• Centrifugation

http://ntri.tamuk.edu/centrifuge/centrifugation.html

background image

 

 

Review Questions

1.

Which of these is not a type of cell? a) bacterium; b) amoeba; c) sperm; 

d) virus 

2.

The oldest fossil forms of life are most similar to _____. a) animals; b) 

modern bacteria; c) archaebacteria; d) fungi 

3.

A prokaryotic cell would not have which of these structures? a) 

ribosome; b) nucleus; c) cell membrane; d) cell wall 

4.

Ribosomes are cellular structures involved in ____. a) photosynthesis; b) 

chemosynthesis; c) protein synthesis; d) carbohydrate synthesis 

5.

The earliest microscopes used to image the specimens. a) high energy 

electron beams; b) interatomic forces; c) low energy electron beams; d) 

light 

6.

Plant cells have ___ and ___, which are not present in animal cells. a) 

mitochondria, chloroplasts; b) cell membranes, cell walls; c) 

chloroplasts, nucleus; d) chloroplasts, cell wall 

7.

The ___ is the membrane enclosed structure in eukaryotic cells that 

contains the DNA of the cell. a) mitochondrion; b) chloroplast; c) 

nucleolus; d) nucleus 

8.

The mitochondrion functions in ____. a) lipid storage; b) protein 

synthesis; c) photosynthesis; d) DNA replication; e) ATP synthesis 

9.

Which of these cellular organelles have their own DNA? a) chloroplast; 

b) nucleus; c) mitochondrion; d) all of these 

For answers click on notes


Document Outline