Biologia applicata

LA CELLULA

La cellula rappresenta l’unità di base su cui si fonda la biologia ed è il

campo di studio specifico della citologia.

Lo studio approfondito delle cellule è diventato possibile solo in tempi

relativamente recenti: a causa delle loro dimensioni estremamente ridotte,

infatti, le cellule non possono essere osservate ad occhio nudo, ma

abbiamo bisogno dei microscopi. I primi microscopi sono stati prodotti in

Olanda verso la metà del 1600 ed è proprio a partire da questo momento

che iniziano gli studi sulle cellule. Per arrivare alla teoria cellulare su cui

ancora oggi si basano gli studi biologici dobbiamo però aspettare ancora

due secoli, fino alla metà del 1800.In questi due secoli i progressi

scientifici nel campo della citologia hanno infatti permesso di arrivare a

definire alcuni concetti chiave della biologia, che oggi appunto conosciamo

come teoria cellulare:

tutti gli organismi viventi sono composti da cellule;

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tutte le cellule derivano da altre cellule preesistenti;

• le cellule sono le più piccole unità dotate di vita propria, ovvero sono

• in grado di nutrirsi, crescere, riprodursi ed infine morire.

Se le consideriamo da un punto di vista morfologico, quindi, le cellule

hanno tutte (indipendentemente dal tipo considerato) alcune

caratteristiche comuni:

sono separate dall’ambiente esterno da una membrana cellulare;

• presentano una regione in cui è contenuto il materiale genetico;

• contengono al loro interno il citoplasma, ovvero una sostanza

• semifluida in cui sono immerse le varie componenti cellulari.

Sulla base delle differenze strutturali esistenti tra le diverse cellule, gli

organismi viventi sono stati tradizionalmente suddivisi in 2 grandi gruppi:

procarioti, rappresentati da batteri e archea;

• eucarioti, rappresentati da piante, animali, funghi, alghe, protozoi.

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Come vedremo, le cellule dei procarioti e degli eucarioti hanno dimensioni

estremamente variabili: passiamo da un diametro compreso tra 1 e 5

micron nel caso dei procarioti a diametri compresi tra 10 e 150 micron

negli eucarioti.

La dimensione di una cellula non può però crescere in maniera indefinita.

Esistono alcuni fattori fondamentali che limitano la dimensione massima

che una cellula può raggiungere. Tali fattori sono rappresentati da:

- rapporto superficie/volume, in quanto l’area superficiale rappresenta il

luogo deputato agli scambi metabolici con l’ambiente circostante,

mentre il volume cellulare è fondamentale per determinare la quantità

di nutrienti che la cellula deve assumere ed al contempo la quantità di

cataboliti (ovvero di rifiuti) che deve smaltire. A questo proposito

bisogna ricordare che mentre il volume della cellula varia con il cubo

del diametro, la superficie varia con il quadrato del diametro: ciò è

quindi il fattore limitante nell’aumento delle dimensioni cellulari; 37 di 155

- velocità di diffusione delle molecole, in quanto molte molecole per poter

svolgere la loro funzione biologica devono passare dall’ambiente

extracellulare al citoplasma e quindi devono attraversare la membrana

cellulare, che si comporta come una barriera semipermeabile;

- necessità di un’adeguata concentrazione di reagenti e catalizzatori:

affinché una reazione chimica possa avvenire a livello cellulare è

necessario che i reagenti collidano con l’enzima e si leghino ad esso e,

logicamente, la frequenza di tali collisioni aumenta all’aumentare della

concentrazione di substrati ed enzimi. Questo aumento localizzato delle

concentrazioni viene ottenuto, nelle cellule eucariote, tramite la

compartimentalizzazione delle funzioni a livello degli organelli.

LA CELLULA PROCARIOTE

La cellula procariote è in genere una cellula tondeggiante o bastoncellare

di piccole dimensioni. Come tutte le cellule è delimitata da una membrana

cellulare, che svolge molteplici funzioni indispensabili alla sopravvivenza

della cellula stessa. Tale membrana cellulare è protetta e rinforzata da una

parete cellulare formata da polisaccaridi.

Spesso la struttura cellulare dei procarioti è dotata di espansioni che le

permettono di muoversi nello spazio: tali strutture sono i flagelli.

Se osserviamo il citoplasma di queste cellule ci accorgiamo di alcuni

aspetti fondamentali:

non sono presenti organelli (che invece come vedremo saranno tipici

• delle cellule eucariote) ad eccezione dei ribosomi (che come

vedremo rappresentano il “macchinario” deputato alla sintesi delle

proteine);

il materiale genetico non è confinato all’interno di una struttura

• specifica (nucleo) come avviene nelle cellule eucariote, ma si

aggrega nel citoplasma a dare una struttura detta nucleoide. Inoltre

il DNA dei procarioti non si organizza a dare strutture complesse che

ne regolano l’espressione genica. Non essendo presente un nucleo

circondato da membrana, in questi organismi i processi di

trascrizione e traduzione avverranno simultaneamente. 38 di 155

Dal punto di vista metabolico ed energetico, i procarioti sfruttano sistemi

enzimatici localizzati a livello della membrana plasmatica.

I procarioti possono usare come fonti energetiche sia elementi inorganici

che organici: in entrambi i casi sono in grado di sintetizzare ATP, che

rappresenta “la moneta energetica” cellulare. La sintesi di ATP nei

procarioti, come vedremo, potrà avvenire sia attraverso un metabolismo

di tipo aerobio che anaerobio.

LA CELLULA EUCARIOTE

La cellula eucariote è una cellula di dimensioni maggiori rispetto a quella

procariote ed è anche dotata di una complessità morfologica maggiore.

Le principali caratteristiche morfologiche delle cellule eucariote sono

rappresentate da:

- presenza di una membrana cellulare che può essere o non essere

protetta da una parete rigida. La parete rigida è, di fatti, un elemento

distintivo delle cellule vegetali e dei funghi, mentre manca nelle cellule

animali;

- presenza di un nucleo delimitato da membrana che contiene al suo

interno il materiale genetico, che assume conformazioni particolari che

permettono di regolare l’espressione genica;

- la presenza all’interno del citoplasma di organelli delimitati da

membrana che sono indispensabili per permettere la

compartimentalizzazione delle funzioni all’interno della cellula stessa.

Le cellule eucariote sono caratterizzate da forme diverse, generalmente

correlate alla loro funzione specifica: questa variabilità nella morfologia

cellulare è resa possibile dalla presenza all’interno della cellula di una fitta

rete di elementi citoscheletrici di natura proteica che non solo

garantiscono supporto strutturale ma sono anche coinvolti nel movimento

cellulare.

Le cellule eucariote danno origine ad organismi pluricellulari: all’interno di

queste strutture complesse cellule dello stesso tipo si uniscono per dare

origine a tessuti specializzati.

Le cellule eucariote fanno un largo uso di membrane al loro interno al fine

di ottenere una compartimentalizzazione delle funzioni. Gli organelli

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intracellulari sono infatti delimitati da membrane, ognuna delle quali avrà

caratteristiche peculiari. Inoltre, ogni organello conterrà al suo interno

tutto l’apparato molecolare necessario allo svolgimento delle sue

specifiche funzioni biologiche.

LA MEMBRANA CELLULARE

La cellula è circondata da una membrana composta da lipidi e proteine.

Tale composizione, è tipica non solo della membrana che circonda la

cellula, ma anche delle membrane presenti al suo interno a delimitare i

vari organelli.

Gli elementi lipidici si dispongono a formare un doppio strato in cui le

catene degli acidi grassi dei fosfolipidi si dispongono verso il centro del

doppio strato, rendendo il centro della membrana idrofobico, mentre le

teste polari sporgono sulla superficie interna ed esterna della membrana

rendendole idrofile.

Il doppio strato rappresenta l’unità strutturale di base di tutte le

membrane e funge da barriera selettiva per la maggior parte delle

sostanze idrosolubili.

Nella maggior parte delle membrane le proteine rappresentano circa la

metà del peso totale. Le proteine si trovano sia immerse nel doppio strato

lipidico oppure associate ad uno dei due lati della membrana. Le proteine

che attraversano il doppio strato lipidico sono dette proteine integrali,

mentre le proteine periferiche sono quelle che sporgono selettivamente

solo su uno dei due lati della membrana.

Le proteine presenti in membrana possono svolgere numerose funzioni:

possono ad esempio essere coinvolte nei processi di trasporto (azione

come canali o trasportatori), come enzimi, come recettori. Le classi

principali di lipidi che si trovano in membrana sono rappresentate da:

fosfolipidi, caratterizzati da uno scheletro di glicerolo cui sono legati

• 2 acidi grassi (generalmente uno saturo e uno insaturo) che formano

le code apolari e una testa polare legata ad un gruppo fosfato. Sono

responsabili della fluidità della membrana;

colesterolo, composto da un nucleo steroideo rigido (formato da 4

• anelli carboniosi fusi) su cui si inserisce una piccola testa polare

(rappresentata da un gruppo OH). Si inserisce tra fosfolipidi

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adiacenti e con il suo nucleo steroideo rigido impedisce il movimento

delle code idrofobiche dei fosfolipidi. È responsabile dell’introduzione

di punti di rigidità nella struttura della membrana.

La struttura della membrana cellulare è stata oggetto di numerosi studi.

Nel 1972 Singer e Nicolson presentarono il loro modello “a mosaico fluido”

per spiegare l’asimmetria osservabile in membrana, modello a tutt’oggi

ancora accettato.

Questo modello descrive la membrana come un mosaico di proteine

incluse in maniera discontinua in un doppio strato lipidico fluido.

La fluidità della membrana dipende invece dalla componente lipidica. La

distribuzione dei lipidi nei due strati della membrana è anch’essa

asimmetrica sia per quanto riguarda il tipo che per quanto riguarda

l’insaturazione (presenza o meno di doppi legami nella struttura). La

fluidità della membrana dipende dalla possibilità dei fosfolipidi di compiere

3 tipi di movimento a livello della membrana:

movimenti di rotazione attorno al proprio asse: sono movimenti

• casuali ed estremamente rapidi;

movimenti di diffusione laterale: movimenti rapidi e casuali del

• fosfolipide all’interno del singolo strato di membrana;

movimenti di diffusione trasversale (movimenti flip-flop): eventi rari

• che comportano il passaggio del fosfolipide da uno strato all’altro

della membrana.