La cellula

La cellula

Che cos'è la cellula

La cellula è l'unità funzionale e strutturale del nostro organismo, è un sistema a controllo centralizzato, dove l’attività del DNA (trascrizione) viene modificata in risposta a segnali chimici o ormoni inviati da vari punti della superficie e del citoplasma.

La cellula può essere più o meno organizzata, con diversi specifici adattamenti, e diverse funzioni. Possono esserci cellule che costituiscono esse stesse l'organismo (protozoi), o organismi costituiti da un'organizzazione di milioni di cellule (gli umani). Esistono anche cellule con una piccolissima organizzazione cellulare che comunque conta in ogni caso della presenza di un mitocondrio.

Per quanto riguarda gli organismi non cellulari, come per esempio i virus, essi esistono senza un'organizzazione cellulare, non contengono organuli che consentono il sostentamento (riproduzione e respirazione cellulare), per questo è necessario che assumano una vita di tipo parassitaria, attraverso la quale, sfruttando la cellula ospite, può vivere (nonché riprodursi).

Il virus non è che un pacchetto di DNA o RNA (nel caso dei retrovirus), contenuto in una capsula proteica. Il virus rimane in una situazione latente finché non trova una cellula ad essa complementare (complementarietà del capside) nella quale inietterà il suo corredo genetico per avviare la riproduzione.

La caratteristica è quella di riuscire a svilupparsi in modo tale da non farsi riconoscere come antigene dalla cellula e quindi completare in tranquillità il processo di parassitosi.

Caratteristiche delle cellule

Si parla di cellula quando esiste una membrana che la racchiude e che ne consente uno scambio con l'esterno. Difatti parleremo di membrana cellulare: una membrana composta da un doppio strato di molecole fosfolipidiche, cioè delle molecole anfipotiche (in parte idrofile, in parte idrofobe).

Nella membrana cellulare le cellule sono disposte in senso opposto, in modo tale che le teste polari siano disposte verso l'interno e le code apolari verso l'esterno. Nella membrana navigano delle proteine di membrana, necessarie allo scambio con l'esterno di molecole che non riescono a passare in modo autonomo il doppio strato fosfolipidico, e quindi fungono da trasportatori.

Inoltre il sostegno, la forma, nonché la possibilità di movimento, alla cellula viene dato dal citoscheletro.

Nella cellula possiamo trovare due caratteristiche:

• Moto, interno al sistema (flussi intracellulari, moti interni, ecc.).
• Movimento, spostamento solidale del sistema.

Moti intracellulari (correnti citoplasmatiche, spostamento di organelli, …).

• Movimento ameboide.
• Movimento per ciglia o flagelli.
• Movimenti per contrazione muscolare.

Tutti questi moti/movimenti sono determinati dall’azione coordinata di microtubuli e microfilamenti, strutture ultramicroscopiche del citoscheletro costituite da proteine motrici (actina e miosina).

Classificazione

Le cellule le possiamo suddividere in due classi: procariote ed eucariote.

Cellula procariote

È una cellula primitiva, propria del regno dei batteri (monere) con un'organizzazione elementare, senza nessuna suddivisione, né organizzazione interna. Nello stesso spazio citoplasmatico c'è un filamento circolare di DNA, dei piccoli ribosomi ed altri pochi organuli.

L'elementarità di questa cellula la rende molto rapida nelle sue operazioni, in quanto tutto è a portata di mano (un esempio può essere la riproduzione cellulare di una cellula procariote, questa ha una durata media di 20 min, per questo le popolazioni batteriche si riproducono molto velocemente).

I batteri:

• Autotrofi, i quali producono le loro molecole organiche utilizzando come fonte di carbonio l'anidride carbonica.
• Eterotrofi, ricavano atomo di carbonio dai composti organici di altri organismi.

Considerando la fonte di carbonio i batteri vengono classificati in:

• Fotoautotrofi, utilizzano l'energia luminosa per sintetizzare i composti organici.
• Chemioautotrofi, utilizzano l'anidride carbonica come fonte di carbonio ed utilizzano l’energia mediante ossidazioni di composti inorganici, come l'ammoniaca (NH3) e l’acido solfidrico (H2S).
• Fotoeterotrofi, ottengono carbonio da altri organismi, ma utilizzano la clorofilla ed altri pigmenti fotosintetici per catturare l’energia luminosa.
• Chemioeterotrofi, dipendono dalle molecole organiche sia per il carbonio che per l’energia.

Cellula eucariote

È la cellula più organizzata ed è propria dei regni più sviluppati, quindi protisti, funghi, vegetali ed animali.

Per la formazione della cellula eucariote ci si basa sulla teoria endosimbiotica formulata dall’americana Lynn Margulis negli anni ’70: Lynn Margulis ipotizzò che in passato gli organuli, cloroplasti e mitocondri, fossero stati dei batteri.

In particolare, i cloroplasti erano dei batteri fotoautotrofi, quindi si cibavano tramite la luce, effettuando la fotosintesi clorofilliana. Per i mitocondri ipotizzò che erano dei batteri chemioautotrofi, ossia si cibavano tramite le sostanze chimiche che trovavano già pronte in natura.

La tesi originale di Margulis ipotizzava che dei batteri aerobi (che richiedevano ossigeno per vivere), fossero stati inglobati da batteri anaerobi (per i quali l’ossigeno era tossico), e che ognuno avesse ottenuto un vantaggio selettivo dalla coabitazione.

I batteri aerobi potevano aiutare gli anaerobi facendo fronte alla tossicità dell’ossigeno, mentre i batteri anaerobi potevano sostenere dal punto di vista alimentare i batteri aerobi, svolgendo anche una funzione protettiva. Il risultato è una cellula con doppia membrana; la membrana più interna corrisponde alla membrana plasmatica del batterio, quella più esterna proviene dalla cellula che lo ha inglobato.

Le cellule eucariote anche se con alcune differenziazioni hanno tutte la stessa organizzazione, con una membrana cellulare, al cui interno troviamo organuli quali mitocondri, ribosomi, un nucleo, contenente il contenuto genetico rappresentato dal DNA, condensato insieme ad istoni a formare i cromosomi.

Inoltre l'organizzazione è tale da trovare le varie strutture rivestite e racchiuse da membrane, come per esempio il nucleo presente all'interno della membrana nucleare. La particolarità è che nelle cellule vegetali, oltre ai mitocondri, troviamo i cloroplasti. Le cellule animali, sono le uniche che non contengono una parete cellulare, in quanto conferirebbero una rigidità non adatta alle cellule umane.

La cellula procariote

I batteri hanno una dimensione massima di alcuni micrometri, non si vedono ad occhio nudo, ma è necessario utilizzare un microscopio ottico.

Le cellule procariote non hanno nucleo, non hanno organelli delimitati da membrane.

Gli elementi che contraddistinguono le cellule procariote sono:

Parete cellulare

La maggior parte delle cellule procariote hanno una parete cellulare esterna alla membrana con funzione di sostegno e protezione. Le cellule batteriche hanno un'elevata concentrazione di soluti e la parete avrete impedisce che esplodano in condizioni ipotoniche.

La parete cellulare è costituita da peptidoglicano, polimero complesso composto da due tipi di zuccheri, NGM e NAM, legati a corti polipetidi.

Capsula

Alcuni batteri hanno una capsula mucillaginosa di polisaccaridi con funzioni di:

• Protezione (Streptococcus pneumoniae) dalla fagocitosi.
• Adesione (placca).
• Antidisidratazione (zuccheri idrofilici).

Nucleoide

I batteri contengono in genere un solo cromosoma che, a differenza di quelli delle cellule eucariote, ha una forma circolare; questo cromosoma è situato nel nucleoide, una zona della cellula non avvolta da membrana.

Un tipico cromosoma batterico possiede qualche milione di nucleotidi e contiene poche migliaia di geni; la maggior parte del cromosoma è costituito da geni strutturali, mentre i restanti geni sono coinvolti nell'espressione genica e nella duplicazione batterica.

Plasmide

Oltre al DNA cromosomico, praticamente tutti i tipi di batteri contengono altre molecole di DNA chiamate plasmidi. Essendo molto più piccoli del cromosoma, i plasmidi posseggono in genere solo uno o due geni; i plasmidi più grandi, però, ne possono avere anche diverse decine.

Come il cromosoma batterico, anche i plasmidi sono circolari e hanno un DNA a doppio filamento; inoltre si possono duplicare autonomamente in quanto posseggono un proprio punto d'origine della duplicazione.

Alcuni plasmidi si duplicano in sincronia con il cromosoma e ogni cellula figlia riceve soltanto una copia del plasmide; altri, invece, si duplicano più frequentemente del cromosoma con il risultato che le cellule possono contenere copie multiple del plasmide: nel caso di alcuni plasmidi ne sono state trovate altre 50 copie in un'unica cellula. Viceversa, se il plasmide si duplica meno frequentemente del cromosoma, le cellule figlie possono non riceverne una copia.

Esistono cinque principali categorie di plasmidi:

• Plasmidi degradativi, che consentono ai batteri di metabolizzare determinate sostanze, anche tossiche come alcuni residui del petrolio o pesticidi.
• Plasmidi Col, che codificano per le colicine, proteine in grado di uccidere altri batteri.
• Plasmidi della virulenza, che trasformano le cellule ospite in patogeni.
• Plasmidi F, che consentono ai batteri di scambiare materiale genetico; questo trasferimento di DNA da una cellula (F+) ad un'altra cellula (F-) viene detto coniugazione.
• Plasmidi R, i cui geni conferiscono resistenza ad alcuni agenti antibatterici, per esempio gli antibiotici.

I procarioti si dividono per scissione binaria

Nei procarioti la divisione cellulare ha come risultato la riproduzione dell’intero organismo. La cellula cresce di dimensione, duplica il proprio DNA e poi si divide semplicemente in due con un processo che prende il nome di scissione binaria.

Per trovare posto dentro la cellula, la molecola di DNA deve compattarsi: se fosse distesa sarebbe quasi un migliaio di volte più grande dell’intera cellula. La molecola raggiunge questo scopo in parte ripiegandosi su sé stessa, grazie anche a proteine basiche (carica positiva) legate al DNA, che invece è acido (carica negativa).

Nel cromosoma procariotico sono presenti due zone che svolgono una funzione nella riproduzione cellulare: la regione ori, costituisce il punto in cui inizia la duplicazione; la regione ter, è il punto in cui termina la duplicazione.

La duplicazione del DNA avviene nella zona centrale della cellula, le regioni ori delle due molecole di DNA in formazione si spostano verso le estremità opposte della cellula. Fondamentali per la segregazione sono alcune proteine che si legano al DNA contiguo alla regione ori. Si tratta di un processo attivo, in quanto queste proteine idrolizzano ATP per ricavare energia.

Dopo che la duplicazione del cromosoma si è conclusa, ha inizio la citodieresi, ovvero la separazione delle due cellule figlie. Il primo evento della citodieresi è una strozzatura della membrana plasmatica che forma un anello. I componenti principali di questo anello sono delle fibre composte da una proteina simile alla tubulina degli eucarioti (la proteina che forma i microtubuli).

A mano a mano che l’anello si stringe, nella membrana si genera una strozzatura; contemporaneamente, a livello della parete cellulare si deposita nuovo materiale che finisce per separare le due cellule.

Struttura di una cellula eucariote

Con la nascita delle cellule eucariote, comincia la specializzazione, in cui ogni cellula si sviluppa per svolgere al meglio un particolare ruolo.

La differenziazione ha portato a grandi differenze anche tra le cellule principali, come tra le cellule vegetali e le cellule animali, nelle quali si possono notare strutture completamente diverse tra di loro in funzione della loro attività.

Tra le cellule vegetali e le cellule animali si possono comunque trovare delle strutture affini come:

Il nucleo

Corpuscolo sferico contenente il:

• Nucleolo, adibito alla costruzione dei ribosomi e al controllo dei vari organuli del citoplasma.
• Cromatina, portatrice delle informazioni genetiche, cioè il DNA (durante la separazione i filamenti che compongono la cromatina si avvolgono formando i cromosomi).

Il nucleo è circondato dall’involucro nucleare che ha una struttura complessa, essendo costituito da due membrane nucleari, dalla sottostante lamina nucleare e dai complessi del poro.

Il complesso del poro nucleare consiste in una invaginazione delle due membrane nucleari (fusione), tenuta aperta da una struttura ad otto raggi, fissati ad anello alle membrane. Dall’anello posto sul lato citoplasmatico si estendono filamenti citoplasmatici, mentre dal lato nucleare i filamenti formano una struttura a canestro.

Reticolo endoplasmatico

A continuazione della membrana nucleare esterna c'è un esteso sistema chiuso di cavità comunicanti, per cui le macromolecole vengono smistate e anche parzialmente modificate.

Ad es. nel reticolo endoplasmatico e nell’apparato del Golgi avviene la glicosilazione, ossia l’unione tra polipeptidi e mono o oligosaccaridi per formare glicoproteine, più stabili, più funzionali e più riconoscibili.

Il reticolo endoplasmatico lo dividiamo in rugoso e liscio.

Reticolo endoplasmatico rugoso

Definito rugoso in quanto presenta sulla sua superficie i ribosomi. Il polipeptide in formazione si sviluppa verso il lume del reticolo endoplasmatico rugoso, al cui interno viene smistato e parzialmente trasformato.

I polipeptidi nel lume del RER:

• Assumono la struttura terziaria.
• Vengono glicosilati: aggiunto un glucide.

I ribosomi

I ribosomi sono organelli granulari, sono il luogo nel quale avviene la sintesi proteica. I ribosomi sono composti da due subunità, una maggiore ed una minore. Possono essere attaccati al reticolo endoplasmatico rugoso o liberi nel citoplasma, e a seconda del luogo vanno a formare diverse proteine.

Ribosomi liberi:

• Proteine intracitoplasmatiche >>> citosol.

Ribosomi RER:

• Proteine integrali di membrana >>> membrana.
• Proteine da traslocare >>> lisosomi.
• Proteine di secrezione >>> secrezione.

Come detto è il sito della costruzione delle proteine, attraverso la sintesi proteica. Da un filamento di RNA messaggero, che entra nel ribosoma, si vanno a legare i vari amminoacidi portati dagli RNA di trasporto, fino a completare la catena polipetidica che verrà inserita nel lume del reticolo endoplasmatico rugoso rimanendoci fino alla sua maturazione.

Reticolo endoplasmatico liscio

Il reticolo endoplasmatico liscio è privo di ribosomi; è la sede della sintesi e della distribuzione dei lipidi complessi come i fosfolipidi, indispensabili alla costruzione di tutte le membrane della cellula.

Un altro importante compito del REL è quello di trasformare determinate sostanze dannose per l'organismo, come ad esempio l'etanolo, contenuto nelle bevande alcoliche, in composti non tossici: per questo motivo vi è una notevole presenza di REL nelle cellule del fegato, che, fra le sue molteplici funzioni, comprende anche quella della neutralizzazione delle sostanze tossiche.

Il REL è abbondante nelle:

• Cellule endocrine >>> ormoni steroidei.
• Cellule epatiche >>> colesterolo.

Apparato del Golgi

Ogni apparato del Golgi 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 vescicole.

Nelle cisterne viene completata la trasformazione di proteine e lipidi in glicoproteine e glicolipidi attraverso l'assemblaggio finale con dei carboidrati.

Il prodotto finale viene inglobato nella membrana formando un vacuolo che trasporterà il tutto, attraverso le strutture del citoscheletro, fino alla sua secrezione nella specifica destinazione:

• Enzimi lisosomiali -----> lisosomi.
• Proteine di membrana -----> membrana.
• Proteine di secrezione -----> esterno.

Lisosomi

Hanno una duplice funzione, di identificazione e demolizione di macromolecole, organelli ed intere cellule inefficienti, e difesa da agenti infettivi o tossici sia esterni che interni.

Sono vescicole membranose (prodotte dall’apparato del Golgi) contenenti 50 enzimi idrolitici per degradare:

• Proteine (proteasi).
• Glicosidi (glicosidasi).
• Esteri fosforici (fosfatasi), ecc.

Riconoscono sostanze da degradare, vi si fondono, le degradano, le espellono. Operano a pH5 in modo da non recare danno nel caso in cui la membrana dei lisosomi si rompesse nel citosol.

Il lisosoma, prodotto dall’apparato del Golgi, si fonde con il fagosoma, vescicola originata da una introflessione della membrana plasmatica e contenente il corpo da digerire. Le piccole molecole risultanti dalla digestione vengono poi riportate nel citosol per