Giulia Pirazzini Base cellulare della vita – Parte I e II
Base cellulare della vita
La cellula
La cellula è l’unità strutturale e funzionale degli organismi viventi. Le sue caratteristiche fondamentali sono:
- Manifesta tutte le proprietà elettive dei viventi;
- È un sistema aperto: interagisce con il microambiente.
Proprietà elettive del sistema cellula
La cellula possiede una serie di proprietà specifiche:
- Crescita e sviluppo;
- Trasformazione di energia e materia dell’ambiente esterno nel metabolismo cellulare;
- Reattività;
- Adattamento all’ambiente;
- Omeostasi;
- Ordine;
- Programma informativo interno;
- Divisione;
- Morte.
La cellula come sistema aperto
La cellula è considerata un sistema aperto in continuo scambio con l’ambiente (“microambiente cellulare”).
→ Ambiente è l’insieme delle risorse indispensabili a garantire la vita, si tratta di caratteristiche fisiche, chimiche e biotiche utili alla sopravvivenza e allo sviluppo del sistema.
Il termine microambiente indica i dintorni immediati del sistema osservato.
Il comportamento cellulare (metabolismo, proliferazione, differenziamento, staminalità, migrazione, morte cellulare programmata) non dipende solo da caratteristiche intrinseche delle cellule, ma è strettamente condizionato all’interazione tra cellule, matrice e microambiente cellulare.
I cambiamenti del microambiente possono agire in modo sia transiente che stabile, mantenendo nella cellula una memoria biologica dei viventi.
Studio delle cellule
Nel 1665 Robert Hooke osserva al microscopio una sezione di sughero, notando delle piccole camere che denominò “celluae”.
Nel 1673 Antoine Van Leeuwenhoek osserva al microscopio spermatozoi, cellule del sangue e organismi in una pozza.
La teoria cellulare (Schleiden e Schwann 1839, Virchow 1859)
- Tutti i viventi sono costituiti da cellule;
- Le cellule sono unità in cui avvengono i processi vitali;
- “Omnis cellula e cellula”, ogni cellula deriva da un’altra cellula, grazie alla loro capacità riproduttiva.
Weismann 1880:
Importante corollario: tutte le cellule viventi hanno un’origine in comune.
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Organizzazione, dimensioni e funzioni delle cellule
L’organizzazione di tutte le cellule è simile
L’organizzazione delle cellule e le loro piccole dimensioni sono caratteristiche che permettono di mantenere in equilibrio l’ambiente intracellulare, consentendo quindi il corretto funzionamento dei processi biochimici. Affinché questo accada è perciò necessario che i contenuti cellulari siano separati dall’ambiente esterno: ciò è possibile grazie alla membrana plasmatica, una membrana di superficie che circonda tutte le cellule.
Ciò fa sì che l’interno della cellula sia un compartimento chiuso, rendendo la composizione chimica molto differente rispetto a quella dell’ambiente esterno.
Le proprietà della membrana plasmatica sono uniche e le consentono di svolgere la funzione di barriera selettiva tra l’ambiente cellulare interno e quello esterno.
Le cellule possiedono delle strutture interne, chiamate organuli, deputati allo svolgimento di attività metaboliche.
La maggior parte di essi sono formati da uno o più compartimenti circondati da membrana e sono in grado di regolare il proprio ambiente interno per compiere funzioni specifiche. L’informazione genetica in tutte le cellule è immagazzinata nelle molecole del DNA che è contenuto, duplicato e trascritto nel nucleo (nelle cellule eucariotiche).
Le dimensioni cellulari
Pur essendo le dimensioni cellulari estremamente variabili, la maggior parte delle cellule ha dimensioni microscopiche: pertanto per misurarle sono necessarie unità di misura molto piccole.
Alcune cellule di particolari alghe o di alcuni animali sono visibili persino ad occhio nudo. La cellula uovo umana, ad esempio, ha un diametro di 130 μm (è grande come un punto). Le cellule più grandi sono le uova degli uccelli.
Una cellula deve assumere nutrimento ed altri materiali e deve liberarsi dei prodotti di rifiuto generati dalle reazioni metaboliche. Tutto ciò che entra o esce dalla cellula deve passare attraverso la membrana plasmatica: essa contiene pompe o canali specializzati che regolano selettivamente il passaggio di materiali dentro e fuori dalla cellula. La membrana deve perciò essere abbastanza grande da provvedere alle necessità di regolazione di passaggio di materiale.
Ergo, il fattore principale che determina le dimensioni microscopiche della cellula è il rapporto tra l’area superficiale (membrana plasmatica) e il suo volume: ciò pone quindi una limitazione alle sue misure.
Se si superano quindi le dimensioni critiche molte molecole non potrebbero essere trasportate al suo interno con velocità adeguate: la cellula non sarebbe in grado di regolare la concentrazione di alcuni ioni o di trasportare all’esterno sostanze di rifiuto.
Non tutte le cellule sono sferiche o cubiformi: alcune di grandi dimensioni hanno però rapporti favorevoli area superficiale/volume grazie alla loro forma. Le variazioni di forma sono perciò una strategia adottata da numerose cellule per aumentare tale rapporto.
Alcune cellule hanno delle estroflessioni della membrana dette microvilli, che aumentano l’area di superficie utilizzata per assorbire materiali e nutrienti.
Dimensioni e cellule sono collegate alle funzioni cellulari
Le dimensioni e la forma sono adattate alle funzioni che deve svolgere una determinata cellula.
Ad esempio, l’ameba o il globulo bianco possono cambiare forma quando si muovono. Le cellule spermatiche possiedono lunghe code a forma di frusta chiamate flagelli che vengono utilizzate per la locomozione. Le cellule nervose possiedono lunghe e sottili estensioni che permettono di trasmettere segnali ed impulsi anche a grande distanza.
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Tipi di cellule
Esistono due classi distinte di cellule in base al livello di organizzazione:
- Cellula procariotica: Pro-Kàryon, etimologicamente “prima del nocciolo”, quindi senza un nucleo.
- Cellula eucariotica: Eu-Kàryon, “eu”→ vero, bene; “Kàryon”→ nocciolo, quindi con un nocciolo/nucleo ben organizzato e delimitato dalla membrana cellulare.
La cellula procariotica
L’organizzazione cellulare procariotica è tipica di:
- Archeobatteri: sono batteri che vivono in condizioni ambientali estreme, come alta salinità, alte temperature (120°), alta pressione. Hanno caratteristiche metaboliche, genetiche e strutturali peculiari. Hanno un’origine molto antica.
- Eubatteri: sono batteri a più ampia diffusione sul nostro pianeta. Hanno forme varie e possono essere autotrofi o eterotrofi. Possono colonizzare diversi organismi e possono essere patogeni.
Caratteri della cellula procariotica comuni a quella eucariotica:
- Membrana plasmatica;
- Nucleoide: regione dove si localizza il DNA circolare;
- Citosol: sostanza gelatinosa semifluida in cui si trovano i ribosomi.
Le strutture specializzate che sono proprie della cellula procariotica:
- Parete cellulare, il cui principale componente sono i peptidoglicani;
- Membrana esterna alla parete;
- Capsula o glicocalice, formati principalmente da polisaccaridi e da proteine;
- Plasmidi;
- Mesosomi, ovvero introflessioni della membrana plasmatica;
- Flagelli, che servono al movimento delle cellule;
- Pili, che determinano l’accoppiamento tra le cellule.
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Colorazione di Gram, 1884: capacità delle cellule procariotiche di colorarsi in maniera differente basata sulla presenza o meno delle strutture in grado di trattenere un colorante basico, detto cristal violetto. In base a questo differenziamento, le cellule procariotiche si suddividono in Gram positivi, ovvero organismi in grado di trattenere il colorante, e Gram negativi, ovvero organismi in grado di non trattenere il colorante.
Materiale informativo della cellula procariotica
Il DNA è una singola molecola circolare in una regione chiamata nucleoside. Possono essere presenti dei plasmidi, ovvero piccole molecole di DNA addizionale in grado di replicazione autonoma. Queste piccole molecole contengono le informazioni riguardanti la resistenza agli antibiotici.
Differenti forme, metabolismi e ambienti colonizzati delle cellule procariotiche
In base alla forma, al metabolismo e all’ambiente colonizzato i batteri/cellule procariotiche differiscono tra loro.
Ciò si spiega per vari fattori e capacità proprie di queste cellule:
- Rapidità della divisione cellulare: la durata della duplicazione è di circa 30 minuti; in 11 ore si raggiunge il numero della popolazione mondiale umana.
- Diversità metaboliche e grande capacità di adattamento: eterotrofi ed autotrofi, chemiotrofi e fototrofi, possono fissare N2 in NH3 e poi in nitrito e nitrato, così che le piante siano in grado di utilizzarlo.
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La cellula eucariotica
È un’organizzazione tipica di pro
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