Differenze e caratterizzazione delle cellule procariotiche ed eucariotiche animali e vegetali

I regni

Gli esseri viventi sono classificati in 5 Regni (secondo Whittacker) o 6 (secondo Woese).
I 5 regni di Whittacker sono:
- Il regno delle monere;
- Il regno dei protisti;
- Il regno delle piante;
- Il regno dei funghi;
- Il regno degli animali.

I 6 regni di Woese sono uguali a quelli di Whittacker, con unica eccezione che il Regno delle Monere è diviso in due Regni, quello Bacteria (dei Batteri) e degli Archeobatteri (degli Archei).

Prima di approfondire l’argomento e di presentare la differenza tra la cellula procariotica e quella eucariotica, presentiamo subito 3 elementi che mettono in comune i due tipi di cellule, ovvero:
- La membrana plasmatica o cellulare (involucro che delimita la cellula, separandola dalle altre cellule e dall’ambiente circostante.

Essa regola il passaggio delle sostanze in entrata e uscita della cellula);

- Il citoplasma (soluzione gelatinosa ricca di acqua e sali minerali. Qui avvengono la gran parte delle funzioni cellulari)

- Materiale genetico [DNA] (sostanza in cui sono immagazzinate tutte le informazioni e le attività compiute dalla cellula).

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è una struttura selettivamente permeabile che separa la cellula dall’ambiente circostante. Essa è formata da code idrofobe rivolte all’interno, teste idrofile orientate verso l’esterno e un doppio strato di dove sono situate proteine che interagiscono con il citoscheletro, permettendo, così, l’adesione tra le cellule; Esempi di proteine di membrana sono i carboidrati (che possono essere legati alle superfici esterne delle proteine o dei lipidi, formando rispettivamente glicoproteine e glicolipidi) e il colesterolo (presente solo nelle cellule animali e conferisce stabilità alla membrana).
La membrana svolge principalmente 3 compiti fondamentali:
- Ricevere e selezionare le informazioni provenienti dall’esterno;
- Mantenere l’equilibrio idrico e salino delle cellule;
- Regolare il passaggio delle sostanze nutritive in entrata e in uscita dalle cellule.

Proteine della membrana

Le proteine della membrana non solo hanno una funzione strutturale o di adesione, ma possiedono anche funzioni:
- Enzimatiche: in quanto permettono lo svolgimento delle reazioni sulla superficie cellulare ;
- Recettoriali: riconoscono i segnali provenienti dall’esterno della cellula e trasmettono il messaggio al suo interno;
- Di trasporto: con canali e pompe permettono il passaggio di sostanze dall’esterno verso l’interno;
- Di riconoscimento: le glicoproteine, con le loro strutture, riconoscono le cellule estranee.

Queste proteine, in base, se presentano regioni idrofobiche o meno, si distinguono in:
- Proteine integrali: presentano regioni idrofobiche e idrofile e perciò possono attraversare completamente o parzialmente il doppio strato fosfolipidico;
- Proteine periferiche: sono prive di regioni idrofobiche e perciò non possono attraversare il doppio strato di fosfolipidi.

La membrana selettivamente permeabile

Come accennato prima, la membrana si dice essere una struttura selettivamente permeabile perché non tutte le sostanze la attraversano. Principalmente, le modalità di entrata ed uscita delle sostanze, sono due:
- Trasporto passivo;
- Trasporto attivo.

Trasporto passivo

Il trasporto passivo è un processo automatico che non richiede energia. Esso avviene con tre diverse modalità:
- Diffusione semplice;
- Diffusione facilitata;
- Osmosi

Diffusione semplice

Nella diffusione semplice, le particelle si muovono dalla zona in cui sono più concentrate a quella in cui lo sono di meno, finché la concentrazione diventa uniforme.

Diffusione facilitata

Nella diffusione facilitata le molecole entrano nella cellula tramite proteine di membrana che formano dei canali attraverso i quali passano molecole di grandi dimensioni, come zuccheri e amminoacidi.

Osmosi

Nell’osmosi le cellule immerse in una soluzione possono avere una concentrazione di soluti uguale o diversa rispetto alla soluzione acquosa che si trova al suo interno.
Se l’interno e l’esterno hanno stessa concentrazione di soluti, si dice che gli ambienti sono isotonici ;
Se le concentrazioni sono diverse, la soluzione con maggior concentrazione di soluti si chiama ipertonica, quella che ne ha poca è detta ipotonica.

Trasporto attivo

Il trasporto attivo è un processo che richiede il consumo di energia da parte della cellula e avviene in direzione opposta della diffusione (gradiente di concentrazione). Questo tipo di trasporto, insieme a una cellula di membrana detta pompa sodio-potassio, ha il ruolo fondamentale per il mantenimento dell’ambiente cellulare, infatti contribuisce a mantenere la diversa concentrazione di ioni all’interno e all’esterno della cellula.
Il trasporto attivo può avvenire in tre diverse modalità:
- Uniporto: viene trasportata una singola sostanza in una sola direzione;
- Simporto: vengono trasportate due sostanze diverse nella stessa direzione;
- Antiporto: vengono trasportate due sostanze diverse in due direzioni opposte.

Esocitosi ed endocitosi

Non potendo quindi attraversare liberamente la membrana plasmatica, le cellule possono importare o esportare materiali di dimensioni mediante questi due rispettivi processi: endocitosi ed esocitosi.
Con l’endocitosi, il materiale viene portato all’interno da una vescicola che entra in contatto col citoplasma. Se il materiale è solido si definisce fagocitosi, pinocitosi se è liquido.
Con l’esocitosi, il materiale viene portato all’esterno da un insieme di vescicole che si fondano con la membrana cellulare

La cellula procariotica

La cellula procariotica fu la prima cellula che comparve sulla terra 3,8 miliardi di anni, quindi è la più antica e semplice cellula presente sul pianeta terra. Il suo termine, procariotica, deriva dalle parole greche pro (prima) e Karyon (nucleo). Le cellule procariotiche sono organismi unicellulari e costituiscono i batteri e gli archei.
Attenzione! Non dobbiamo farci ingannare dalla sua etimologia. Seppur derivi dal greco Karyon (nucleo), la cellula procariotica ne è priva.

Struttura della cellula procariotica

La cellula procariotica è costituita da 9 elementi fondamentali:
- Il plasmide è un segmento di DNA che conferisce al batterio una resistenza a tossine e antibiotici. Esse non sono più di tanto necessarie per la sopravvivenza del batterio, ma contiene geni responsabili di resistere agli antibiotici, come i plasmidi R o il plasmide F che si occupa di trasferire geni da una cellula all’altra;
- Nucleoide: è il luogo in cui risiede il citoplasma e qui è presente il DNA. Esso si presenta come una molecola circolare, chiamata cromosoma batterico;
- Citoplasma: il citoplasma è l’ambiente interno della cellula in cui avvengono tutte le reazioni cellulari;

- Ribosomi: sono strutture tondeggianti presenti nel citoplasma, formate da RNA e hanno il compito di costruire le proteine. Per la loro composizione è possibile trattarli con fermaci che aggrediscono solo i ribosomi dannosi, senza danneggiare quelli ‘Buoni’ del paziente;
- Capsula: è un rivestimento della parete cellulare, formata da polisaccaridi. Ha il compito di fornire protezione e aiuta l’organismo ad aderire alle superfici;
- La parete cellulare: è un rivestimento rigido composto da peptidoglicano, un ammino – zucchero presente solo nei procarioti. La parete ha una funzione di sostegno e protezione;
- La membrana plasmatica: è una pellicola composta da fosfolipidi e si occupa del passaggio delle sostanze in entrata e in uscita;
- Pili: appendici corte che servono alla cellula per aderire alle superfici di altre cellule;
- Flagelli: appendici lunghe che permettono lo spostamento della cellula.

Un piccolo approfondimento sui batteri

‘I batteri autotrofi ed eterotrofi’
I batteri hanno la capacità di tratte nutrimento ed energia da varie fonti, per questo distinguiamo due gruppi di batteri:
- I batteri autotrofi;
- I batteri eterotrofi;
I batteri autotrofi sono capaci di fabbricare da soli il proprio nutrimento, come i cianobatteri che ricavano dalla luce del sole l’energia necessaria alla sintesi delle sostanze nutrienti.

Gli eterotrofi sono batteri che devono procurarsi il nutrimento dall’ambiente. Sono soliti vivere nel terreno e si nutrono si materiali di rifiuto, come le feci degli animali o di organismi morti. Essi demoliscono i loro cibo, composto da biomolecole, in molecole più piccole e le assorbono.

La cellula eucariotica

La cellula eucariotica comparve sulla terra dopo quella procariotica, esattamente 1,8 miliardi di anni fa. Il suo termine eucariotica deriva dal greco eu (vero) e karyon (nucelo) Essa è più complessa nella sua struttura e costituisce protisti, piante, funghi ed animali.
Principalmente, distinguiamo le strutture della cellula animale e vegetale, che hanno molti elementi in comune.

Funzioni e caratteristiche degli elementi in comune di cellula animale e vegetale

- Nucleo: contiene il DNA ed è delimitato da una doppia membrana nucleare che regola il passaggio di sostanze tra il citoplasma e il nucleo attraverso i pori nucleari;
- Nucleolo: regione del nucleo in cui viene prodotto l’RNA ribosomiale, utile per la sintesi delle proteine;
- Ribosomi: sono i luoghi di produzione delle proteine e, di solito, si trovano nel citoplasma;
- Mitocondri: organuli in cui avviene la respirazione cellulare, che fornisce energia alla cellula sotto forma di molecole di Adenosintrifosfato (ATP);
- Citoplasma: parte interna della cellula costituita da una sostanza gelatinosa, il citosol, dove sono immersi tutti gli organuli;
- Membrana plasmatica: è una pellicola composta da fosfolipidi e si occupa del passaggio delle sostanze in entrata e in uscita;
- Citoscheletro: sistema di filamenti proteici che sostengono la cellula e rinforza anche la membrana plasmatica e nucleare;
- Perossisoma: organulo che contiene enzimi che demoliscono le sostanze nocive e si occupa della sintesi dei fosfolipidi;
- Vescicola: sacchetto nel quale sono immagazzinate varie sostanze del citoplasma;
- Apparato di Golgi: organulo dove avvengano le reazioni di Glicosilazione, ovvero la combinazione di una o più molecole di glucusio;
- Reticolo endoplasmatico ruvido: organulo che si occupa della produzione di proteine;
- Reticolo endoplasmatico liscio: organulo che si occupa della produzione di lipidi.

Elementi non comuni

Cellula animale:
- Flagello: struttura proteica che permette il movimento della cellula;
- Centrioli: organuli che hanno il compito di formare delle strutture stabili che fungono come magazzini delle sostanze del citoscheletro;
- Lisosoma: sacca che contiene enzimi digestivi che sono in grado di demolire le sostanze estranee o non più utilizzabili;

Cellula vegetale

- Vacuolo centrale: organulo che ha la funzione di serbatoio, cioè di riserva ed è anche il deposito delle antocianine, dei pigmenti che danno colore ai fiori e ai frutti;
- Cloroplasti: organuli nei quali l’energia luminosa viene convertita in energia chimica.

Origine della cellula eucariotica

Secondo la ‘Teoria dell’endosimbiosi’, ideata dalla biologa statunitense Lynn Margulis, prevede che i mitocondri e i cloroplasti si siano formati in seguito all’ingestione di una cellula procariotica più piccola da parte di una cellula procariotica più grande. La cellula ingerita è sopravvissuta e tra le due cellule si è instaurata una simbiosi.

Nello specifico

I mitocondri si sono originati da un batterio aerobio eterotrofo, cioè in grado di ottenere energia trasformando le sostanze organiche in inorganiche.
Fasi della formazione del mitocondrio:
1) Un procariote di grandi dimensioni ha ingerito, senza digerirlo, un piccolo procariote aerobio;
2) Il piccolo procariote sopravvive all’interno della cellula ospite e tra i due, si instaura una relazione di simbiosi, nella quale entrambi ricevono benefici;
3) Con il passare del tempo, parte del patrimonio genetico del procariote aerobio, si trasferisce nel DNA del procariote di grandi dimensioni. Dopo questo passaggio, il piccolo procariote diviene un mitocondrio.

I cloroplasti si sono originati da un procariote fotosintetico, cioè che è in grado di trasformare la sostanza inorganica in organica, grazie alla luce del sole.
Fasi della formazione del cloroplasto:
1) Un procariote di grandi dimensioni ha ingerito, senza digerirlo, un piccolo procariote fotosintetico, probabilmente un cianobatterio;
2) Il piccolo procariote sopravvive all’interno della cellula ospite e tra i due, si instaura una relazione di simbiosi;
3) Con il passare del tempo, parte del patrimonio genetico del procariote fotosintetico, si trasferisce nel DNA del procariote di grandi dimensioni. Dopo questo passaggio, il piccolo procariote diviene un cloroplasto.

Questa teoria, però, non spiega l’origine degli altri organuli cellulari, per questo nel 2014 è stata ideata la Teoria Inside-out, che spiega come sono nati i reticoli endoplasmatici, l’apparato di Golgi, la membrana plasmatica e nucleare.
Secondo questa teoria, un archeobatterio emette protuberanze e intrappola batteri più piccoli. L’archeobatterio si ingrandisce e forma protuberanze più grandi. Le protuberanze si fondono tra loro, formando la membrana plasmatica. La membrana esterna, a sua volta, dà origine al reticolo endoplasmatico e all’apparato di Golgi, mentre quella interna origina la membrana nucleare.