Cellula - Le caratteristiche

Procarioti ed eucarioti
Tutte le cellule presentano due caratteristiche fondamentali:la prima è la membrana cellulare(membrana plasmatica), che separa la cellula dal suo ambiente esterno; la seconda è il materiale genetico, che dirige le attività di una cellula e le consente di riprodursi, trasmettendo i suoi caratteri ereditari ai suoi discendenti.
L’organizzazione del materiale genetico è un dei fattori che diversificano due tipi di cellule ben distinti, le cellule procariote ed eucariote.
Nelle cellule procariote il materiale genetico è presente sotto forma di una grossa molecola circolare di DNA; questa molecola è conosciuta come cromosoma.
Nelle cellule eucariote, invece, il DNA è lineare e dà luogo a un determinato numero di cromosomi.
Un’altra importante differenza consiste nel fatto che nelle cellule eucariote i cromosomi sono circondati da una doppia membrana, la membrana nucleare, che li separa dalle altre strutture cellulari e determina un nucleo distinto, mentre nelle cellule procariote il cromosoma non è contenuto in un nucleo avvolto da membrana, ma è collocato in una particolare zona detta nucleotide.
Le restanti componenti cellulari costituiscono il citoplasma.
Il citoplasma contiene una grande varietà di molecole e di strutture molecolari; sia procarioti che eucarioti contengono i ribosomi, che hanno una funzione fondamentale nell’assemblaggio delle molecole proteiche a partire dagli amminoacidi.
Le cellule eucariote contengono anche una grande varietà di compartimenti circondati da membrana, gli organuli, che non sono invece presenti nelle cellule procariote.
La membrana cellulare dei procarioti è circondata da una parete cellulare esterna .

Microscopia
Il potere di risoluzione corrisponde alla minima distanza che deve sussistere tra due oggetti perché questi possano essere percepiti come effettivamente separati.
La maggior parte delle cellule eucariote ha un diametro compreso tra i 10 e i 30 micrometri.
La maggior parte delle nostre conoscenze attuali sulla struttura cellulare è quindi basata sull’utilizzo di tre tipi differenti di strumenti: il microscopio ottico, il microscopio elettronico a trasmissione e il microscopio elettronico a scansione.
Il miglior microscopio ottico ha un potere di risoluzione di 200 nanometri, migliorando così di 500 volte la visione a occhio nudo.
È praticamente impossibile costruire un microscopio ottico con caratteristiche superiori; il fattore limitativo è la lunghezza d’onda della luce: più corta è la lunghezza d’onda, maggiora è la risoluzione.
Ma le lunghezze d’onda più corte della luce visibile sono di circa 0,4 micrometri e ciò pone dei limiti a un microscopio ottico per quanto riguarda la risoluzione.
Con il microscopio elettronico a trasmissione il potere di risoluzione è stato aumentato di circa 1000 volte rispetto a quello del microscopio ottico.
Questo è stato possibile usando un’illuminazione con lunghezza d’onda molto più corta: questo sistema di illuminazione è costituito da fasci di elettroni invece che da raggi luminosi.
Le aree del campione in esame che permettono la trasmissione di elettroni appaiono chiare e le aree che disperdono gli elettroni appaiono scure.
I microscopi elettronici a trasmissione offrono un potere risolutivo di circa 0,2 nanometri.
I microscopi elettronici producono solo immagini in bianco e nero, che tuttavia molto spesso vengono colorate in falsi colori.
Il potere di risoluzione del microscopio elettronico a scansione è di soli 10 nanometri.
Nel microscopio elettronico a scansione gli elettroni non attraversano il campione, ma sono riflessi della sua superficie, precedentemente ricoperta da una sottilissima lamina metallica formando in questo modo un’immagine del suo aspetto esterno.
Questa immagine viene amplificate e trasmessa su una schermo televisivo che permette di ottenere una visione del campione.
Il microscopio elettronico a scansione permette rappresentazioni tridimensionali di cellule e di strutture cellulari.

La membrana cellulare
La membrana cellulare separa il materiale vivente della cellula dall’ambiente circostante.
La struttura di base della membrana cellulare è costituita da due strati di molecole fosfolipidi che disposte con le code idrofobe verso l’interno.
Nella parte interna idrofoba della membrana delle cellule animali sono presenti grandi quantità di molecole di colesterolo; invece nella membrana cellulare dei procarioti, di alcuni protisti e delle cellule delle piante e dei funghi in genere non è presente colesterolo.
La membrana cellulare contiene anche numerose molecole proteiche sospese nel doppio starato lipidico.
Queste proteine, note come proteine integrali di membrana, si estendono, di solito, attraverso il doppio strato e sporgono da entrambi i lati.
Sul lato citoplasmatico della membrana, altre molecole proteiche, note come proteine periferiche di membrana, aderiscono ad alcune delle proteine integrali sporgenti.
In molti tipi di cellule, lo strato esterno è particolarmente ricco di glicolipidi; le catene di carboidrati di queste molecole sporgono, come le teste del fosfato dei fosfolipidi, dalla superficie della membrana, mentre le code idrofobe contenenti acidi grassi si trovano all’interno.
Sul lato esterno della membrana, alle proteine integrali sporgenti sono legate corte catene di carboidrati, che formano molecole dette glicoproteine.
I carboidrati giocano un ruolo importante nel riconoscimento delle molecole che interagiscono con le cellule, come gli ormoni, agli anticorpi e i virus.
Le proteine di membrana svolgono una gran varietà di funzioni essenziali.
Alcune sono enzimi che regolano specifiche reazioni chimiche; altre sono recettori e sono in grado di individuare la presenza esterna di determinate molecole o microrganismi contenuti nei liquidi circostanti, trasmettendo all’interno della cellula le informazioni che essi portano; altre ancora sono proteine di trasporto e giocano un ruolo chiave nel movimento di ioni e molecole attraverso la membrana, consentendo loro l’eventuale ingresso.

Il nucleo
Nelle cellule eucariote la struttura che in genere risulta più visibile è il nucleo, un grosso corpuscolo circondato da una membrana nucleare, costituita da due membrane, ognuna delle quali è formata da un doppio strato di fosfolipidi.
Questi strati sono fusi insieme a intervalli frequenti, creando piccoli pori nucleari.
Si pensa che il passaggio delle molecole all’interno e all’esterno del nucleo sia regolato dai pori nucleari.
All’interno del nucleo vi sono i cromosomi.
Quando la cellula non è in divisione, i cromosomi sono visibili soltanto come una massa di sottili filamenti, detta cromatina.
La struttura più evidente all’interno del nucleo è il nucleolo.
Il nucleolo è il sito di costruzione dei ribosomi;

Il citoplasma
La parte fluida del citoplasma, detta citosol, è una soluzione concentrata di ioni, di piccole molecole e di proteine.
Il citosol delle cellule sia procariote sia eucariote contiene numerosi ribosomi, che hanno un ruolo fondamentale nella sintesi delle molecole proteiche a partire dai relativi amminoacidi.
Nella maggior parte delle cellule eucariote circa metà del citoplasma è costituito da compartimenti circondati da membrane chimatiorganuli.
Gli organuli sono tenuti fermi dentro al citosol da una rete di filamenti proteici che formano un citoscheletro interno.
Le fibre del citoscheletro mantengono la forma della cellula, le consentono di muoversi e dirigono i movimenti di molte molecole.

Vacuoli e vescicole
Molte cellule, soprattutto quelle vegetali, contengono strutture dette vacuoli.
Un vacuolo è una cavità citoplasmatica circondata da una membrana e piena d’acqua e di soluti.
Le vescicole, che si trovano in tutte le cellule eucariote metabolicamente attive, hanno la stessa struttura generale dei vacuoli, ma sono molto più piccole.
Una delle principali funzioni delle vescicole è il trasporto; le vescicole partecipano al trasporto delle sostanze sia all’interno della cellula sia negli scambi con l’esterno.

Ribosomi e reticolo endoplasmatico
I ribosomi sono i siti presso cui gli amminoacidi vengono assemblati in proteine; in una cellula più vengono sintetizzate proteine più sono numerosi i ribosomi.
Nelle cellule eucariote i ribosomi si trovano nel citosol, ma anche attaccati al reticolo endoplasmatico.
Il reticolo endoplasmatico è una rete di sacchi appiattiti , tubuli e canali connessi tra loro.
Ci sono due tipi di reticolo endoplasmatico, quello rugoso (con attaccati i ribosomi) e quello liscio (senza ribosomi).
Il reticolo endoplasmatico rugoso è collegato allora strato esterno della membrana nucleare, anch’essa provvista di ribosomi; in modo analogo, il reticolo endoplasmatico liscio è il proseguimento del reticolo endoplasmatico rugoso.
La sintesi di alcuni tipi di lipidi avviene in genere nel reticolo endoplasmatico rugoso, il quale interviene anche nella sintesi di molte proteine.
La sintesi delle proteine ha inizio nel citosol, con la produzione di amminoacidi, detta sequenza segnale; essa dirige le proteine che si stanno formando e i ribosomi che stanno prendendo parte alla loro sintesi verso regioni specifiche del reticolo.
I ribosomi poi si attaccano al reticolo e gli amminoacidi della sequenza segnale facilitano il passaggio delle proteine attraverso il doppio strato lipidico.
Le proteine in formazione continuano a passare dentro il reticolo endoplasmatico, un processo che viene attivato grazie all’energia fornita dall’ATP.
Quando le proteine sono complete i ribosomi si staccano e rientrano nel citosol.
In seguito le proteine appena sintetizzate escono dal reticolo rugoso attraverso una speciale reticolo endoplasmatico di transizione; qui esse vendono avvolte in vescicole di trasporto destinate all’apparato di Golgi.

Apparato di Golgi
Ogni apparato è costituito da quattro o più sacchi appiattiti, chiamati cisterne, disposti in pile; le cisterne sono formate da membrane e sono circondate da tubuli e da vescicole.

A funzione dell’apparato di Golgi è quella di ricevere le vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico, di rielaborare le membrane e i contenuti di tali vescicole e di inglobare i prodotti finali in altre vescicole che convogliano questi prodotti in diverse parti della cellula e soprattutto verso la superficie cellulare.
I lipidi e le proteine di membrana sintetizzati nel reticolo endoplasmatico rugoso, sono trasportati verso l’apparato di Golgi in vescicole che si fondono con esso.
All’interno dei sacchi dell’apparato di Golgi avviene l’assemblaggio finale dei carboidrati con le proteine (glicoproteine) e con i lipidi (glicolipidi).
Al termine del processo chimico, il materiale della nuova membrana è imballato in vescicole che hanno per meta un sito preciso, che può essere la membrana cellulare o la membrana di un particolare organulo.

Lisosomi e proteasomi

Un tipo di vescicole relativamente grandi che viene prodotto comunemente dall’apparato di Golgi è il lisosoma.
I lisosomi sono organuli sferici che racchiudono enzimi coinvolti in reazioni di idrolisi.
Un lisosoma può contenere fino a 50 differenti tipi di enzimi idrolitici; all’interno dei lisosomi questi enzimi demoliscono proteine, polisaccaridi e lipidi.
Le piccole molecole risultanti vengono poi riportate nel citosol per essere riutilizzate.
Un proteasoma può essere considerato un tipo particolare di lisosoma specializzato nel demolire proteine.
Tali organuli hanno l’importante funzione di degradare le proteine affinché sia possibile riciclare rapidamente gli amminoacidi che le compongono.

Cloroplasti e mitocondri
Negli organismi eucarioti la fotosintesi ha luogo soltanto quando le molecole di clorofilla si trovano inserite in un elaborato sistema di membrane all’interno di un particolare organulo, il cloroplasto.
Praticamente tutte le cellule eucariote possiedono mitocondri, organuli circondati anch’essi da membrana.
Nel processo di respirazione cellulare, che avviene nei mitocondri, sono demolite molecole ricche di energia, viene utilizzato ossigeno ed è liberata energia.
L’energia viene usata dei mitocondri per ricaricare molecole di ADP in ATP il quale è pertanto disponibile per consentire le altre attività cellulari.
I cloroplasti e i mitocondri sono le importantissime fabbriche di energia delle cellule eucariote.