La complessità della cellula: struttura, funzioni e diversità

Unità strutturale e funzionale di tutti gli esseri viventi (animali, piante, funghi e microrganismi), la cellula è un'entità biologica di grande complessità, nonostante le sue dimensioni microscopiche. Mentre gli animali e le piante si formano assemblando un numero molto elevato di cellule (sono organismi multicellulari o pluricellulari), la maggior parte dei batteri e molti altri microrganismi sono formati da una singola cellula (organismi unicellulari). La cellula è quindi l'elemento più piccolo capace di vivere in modo indipendente.

Struttura della cellula

Essa rappresenta uno spazio chiuso, separato dall'ambiente circostante da una membrana periferica, la membrana plasmatica. Un involucro protettivo di struttura variabile, la parete cellulare, circonda la membrana plasmatica.

Nonostante le loro numerose differenze nell'aspetto e nella funzione, le cellule hanno tutte una membrana plasmatica che definisce il confine tra l'ambiente interno ed esterno della cellula. L’ambiente interno è una sostanza ricca di acqua chiamata citoplasma. Tutte le cellule contengono anche informazioni ereditarie (geni) trasportate da filamenti di DNA. Il DNA controlla le attività della cellula e le permette di riprodursi trasmettendo le sue caratteristiche ai suoi discendenti, derivanti dalle divisioni cellulari; è il supporto dell'ereditarietà.

Tipi di cellule

L'organizzazione interna della cellula è di due tipi principali:

- le cellule procariotiche (batteri e archei) non hanno membrane interne o organelli

- le cellule eucariotiche (tutti gli altri organismi tranne i virus, che non hanno alcuna struttura cellulare) contengono organelli o organuli, ognuno dei quali svolge funzioni diverse, tra cui un nucleo cellulare (eucarioti significa "vero nucleo") che contiene materiale genetico (DNA).

Cellule procariotiche

Le cellule procariotiche, che includono batteri e archei, hanno un’organizzazione più semplice. Il loro materiale genetico consiste in una singola molecola di DNA a doppio filamento, di forma circolare, che "galleggia" nel citoplasma. Viene spesso definito come un cromosoma batterico, sebbene non sia un cromosoma nel senso stretto della parola. Inoltre, batteri e archei possiedono (al di fuori del "cromosoma") piccole molecole circolari di DNA, chiamate plasmidi. Le funzioni cellulari sono fornite da elementi liberi (ribosomi, enzimi, ecc.) nel citoplasma.

Alcuni batteri sono mobili grazie a lunghi filamenti, i flagelli, che si inseriscono nella loro parete esterna e si dispiegano nell'ambiente.

1.3 La cellula eucariotica

Cellule eucariotiche

La cellula di tutti gli organismi non batterici, unicellulari come multicellulari, dal più semplice al più complesso, è di tipo eucariotico. Ha un nucleo che contiene il materiale genetico e lo isola all'interno della cellula. Inoltre, è caratterizzato da un sistema di membrane interne della stessa struttura della membrana plasmatica, formando partizioni che delimitano elementi interni, chiusi e distinti, gli organelli. Questi ultimi assicurano le diverse funzioni biologiche della cellula: i mitocondri, ad esempio, sono responsabili della respirazione cellulare, i cloroplasti (nelle piante verdi) della fotosintesi, ecc.

2. Organizzazione della cellula

2.1 La membrana plasmatica

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica, o membrana cellulare, è costituita da molecole lipidiche (40% del peso secco, principalmente fosfolipidi, oltre a colesterolo e glicolipidi) organizzate in doppio strato, proteine (50%) e carboidrati (10%).

Oltre al suo ruolo protettivo, questo involucro di grande plasticità (che permette a molte cellule di deformarsi) è la sede dei meccanismi di riconoscimento degli elementi che entrano in contatto con esso e degli scambi con l'ambiente esterno. Nella cellula eucariotica, è esteso da una grande rete di membrane interne, che delimita gli organelli e i vacuoli (vescicole piene di liquido).

Le proteine inserite nel doppio strato lipidico sono responsabili delle funzioni della membrana. Alcuni lo attraversano da un lato all'altro (e quindi hanno un'estremità sul lato interno e l'altra sul lato esterno), sono chiamate proteine transmembranee. Altri si inseriscono in uno dei due strati lipidici (interno o esterno) della membrana.

Tutte le proteine a filo con il lato esterno formano le proteine di superficie della cellula. I carboidrati (oligosaccaridi o polisaccaridi) sono associati a proteine (formando complessi chiamati glicoproteine) o lipidi (glicolipidi). Formano uno strato chiamato glicocalice (o cellula-rivestimento), che è coinvolto nell'adesione tra le cellule, nonché nel riconoscimento e nella comunicazione cellulare.

Nelle piante e nei funghi, la membrana plasmatica è rivestita all'esterno da una parete rigida e indeformabile a base di cellulosa nelle piante e chitina nei funghi. Le cellule sono collegate tra loro da ponti citoplasmatici (chiamati plasmodesma) che attraversano le pareti cellulari e consentono il passaggio di varie molecole (ormoni vegetali per esempio).

Citoplasma e citoscheletro

Il citoplasma è l’unico compartimento della cellula procariotica. Contiene, in "sospensione", sia materiale genetico sotto forma di DNA, ribosomi liberi (coinvolti nella sintesi proteica), sia tutte le molecole responsabili delle diverse funzioni della cellula (respirazione, fotosintesi, degradazione, ecc.).

Cellula vista al microscopio

Nella cellula eucariotica, il citoplasma è solitamente il compartimento più grande. Contiene molti organelli ciascuno specializzato in una funzione.

All'interno del citoplasma, gli organelli sono immersi in una gelatina acquosa, il citosol, contenente molte proteine (compresi gli enzimi) e ribosomi liberi (coinvolti nella produzione di proteine da parte della cellula).

Il citoscheletro è una rete tridimensionale che dà forma alla cellula, ne assicura la motilità e funge da supporto per il movimento di organelli e vescicole. Costituisce quindi sia la struttura della cellula che il motore dei suoi movimenti. I suoi filamenti proteici, tutti interconnessi, appartengono a tre tipi principali di strutture:

– microfilamenti (diametro: da 7 a 9 nanometri [nm]);

– microtubuli (diametro: 30 nm);

– filamenti intermedi (diametro: da 8 a 14 nm).

La contrazione dei microfilamenti è all'origine di tutti i movimenti all'interno del citoplasma, così come le deformazioni della cellula.

Organelli e funzioni

Esistenti solo nella cellula eucariotica, formano un insieme di elementi distinti, circondati da una membrana. I principali organelli della cellula eucariotica sono il nucleo (che contiene DNA), i mitocondri (che forniscono la respirazione e la produzione di energia), i plastidi (presenti solo nelle piante, compresi i cloroplasti, che effettuano la fotosintesi), il reticolo endoplasmatico (responsabile della fabbricazione di materiali cellulari, tra cui proteine) e l'apparato di Golgi (che assicura la maturazione delle proteine).

Oltre alle fasi di divisione (mitosi e meiosi), la cellula eucariotica ha un nucleo ben individualizzato, circondato da una doppia membrana, l'involucro nucleare. Questo involucro è attraversato da pori e la sua superficie esterna è in continuità con il reticolo endoplasmatico.

Il nucleo contiene cromatina, una "palla" di DNA associata a proteine (istoni), e porta una o più "macchie", i nucleoli. Durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa per formare cromosomi, mentre l'involucro nucleare si destruttura.

I nucleoli sono aree fibrose dove viene sintetizzato l'RNA che entra nella composizione dei ribosomi (rRNA), mediante trascrizione delle corrispondenti porzioni di DNA: viene poi assemblato con proteine per formare ribosomi, che passano nel citoplasma.

Questi organelli limitati da una doppia membrana producono l'energia necessaria per la vita della cellula (respirazione cellulare) – motivo per cui si dice spesso che sono le fabbriche di energia della cellula. Misurando da 2 a 10 micrometri di lunghezza, i mitocondri sono più abbondanti dove la domanda di energia è più alta (cellule muscolari, per esempio). La loro membrana interna si invagina per formare creste, che spesso le attraversano interamente nella direzione della larghezza. Contengono materiale genetico proprio (DNA mitocondriale).

Presente in tutte le cellule eucariotiche, il reticolo endoplasmatico svolge funzioni di sintesi e trasporto di proteine e lipidi.

Il reticolo endoplasmatico ruvido (REG) è punteggiato di ribosomi : raccoglie le proteine sintetizzate dai ribosomi ad esso attaccati e poi le trasmette all'apparato del Golgi.

Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non trasporta ribosomi; è coinvolto, tra le altre cose, nella produzione di lipidi (ad esempio fosfolipidi di membrana), stoccaggio del calcio, disintossicazione cellulare (per inattivazione di molecole biologicamente attive).

Situato vicino al nucleo, l'apparato di Golgi ha la forma di una o più pile di saccules, circondate da molte piccole vescicole. È a questo livello che la maggior parte delle proteine del reticolo endoplasmatico ruvido vengono ordinate e maturate.