Biologia generale - parte 1: la cellula

Il DNA contenuto nel nucleo è organizzato in cromosomi, ciascuno costituito da

cromatina, un complesso di DNA e proteine istoniche. Nelle cellule non in divisione, la

cromatina appare dispersa e non facilmente distinguibile; al contrario, durante la mitosi

e la meiosi, la cromatina si condensa in cromosomi visibili al microscopio ottico. Ogni

specie possiede un numero caratteristico di cromosomi: l’essere umano, ad esempio,

ne ha 46 nelle cellule somatiche, mentre le cellule sessuali (gameti) ne possiedono 23.

Un’altra struttura interna al nucleo è il nucleolo, che si presenta come una zona densa

e granulare. Il nucleolo è il sito dove viene sintetizzato l’RNA ribosomiale (rRNA), il

quale viene poi assemblato, insieme a proteine provenienti dal citoplasma, in subunità

ribosomiali. Queste subunità escono dal nucleo attraverso i pori e vanno a costituire i

ribosomi nel citoplasma.

Il nucleo, infine, è responsabile della sintesi dell’RNA messaggero (mRNA), trascritto

a partire dal DNA. Questo mRNA funge da “copione” che viene letto dai ribosomi nel

citoplasma per costruire i polipeptidi secondo la sequenza specificata dai geni.

I ribosomi

I ribosomi sono complessi molecolari costituiti da RNA ribosomiale e proteine, deputati

alla traduzione dell’RNA messaggero in proteine. Sono presenti sia liberi nel

citoplasma che associati a strutture membranose.

I ribosomi liberi, che galleggiano nel citosol, sintetizzano proteine che svolgeranno la

loro funzione all’interno della cellula stessa. Al contrario, i ribosomi legati sono fissati

alla superficie del reticolo endoplasmatico rugoso o all’involucro nucleare e producono

proteine destinate alla secrezione o all’inserimento nelle membrane cellulari e degli

organelli.

Sebbene si trovino in posizioni diverse, i ribosomi liberi e quelli legati sono

strutturalmente identici. Le cellule altamente specializzate nella produzione di proteine

da esportare, come le cellule pancreatiche, possiedono una grande quantità di

ribosomi legati.

Il sistema di endomembrane

Le cellule eucariotiche presentano un sistema integrato di membrane interne,

collettivamente definito sistema di endomembrane, che svolge una serie di funzioni

cruciali, tra cui la sintesi, il trasporto, la modifica e la secrezione di molecole.

Fanno parte di questo sistema:

●​ l’involucro nucleare,​

●​ il reticolo endoplasmatico (liscio e rugoso),​

●​ l’apparato di Golgi,​

●​ i lisosomi,​

●​ le vescicole,​

●​ e la membrana plasmatica (in quanto punto di arrivo o partenza di vescicole,

anche se non si trova fisicamente all'interno della cellula).​

Questi compartimenti possono essere in continuità diretta oppure collegati attraverso il

passaggio di vescicole di trasporto, piccoli sacchi membranosi che trasportano

proteine e altre molecole da un organello all'altro.

Le membrane del sistema non sono statiche né identiche tra loro: si differenziano per

composizione, spessore e attività biochimica, e sono dinamicamente modificate in

base alle necessità della cellula.

Reticolo endoplasmatico (RE)

Il reticolo endoplasmatico è un’estesa rete di membrane che si suddivide in due

porzioni distinte, ma collegate: il reticolo endoplasmatico liscio (REL) e il reticolo

endoplasmatico rugoso (RER). Questi compartimenti sono costituiti da tubuli e

cisterne che delimitano un lume interno separato dal citosol.

Reticolo endoplasmatico liscio (REL)

Il REL si presenta privo di ribosomi sulla sua superficie e partecipa a numerose

funzioni specializzate:

●​ sintesi di lipidi, inclusi fosfolipidi e ormoni steroidei;​

●​ detossificazione di farmaci, alcol e composti nocivi attraverso reazioni

enzimatiche (molto attivo nelle cellule epatiche);​

●​ stoccaggio di ioni calcio, fondamentale in cellule muscolari per la contrazione.​

Le sue cisterne sono generalmente più strette e vengono spesso denominate

saccuoli.

Reticolo endoplasmatico rugoso (RER)

Il RER è ricoperto da ribosomi sulla faccia citoplasmatica, conferendogli l’aspetto

"rugoso" al microscopio elettronico. Questi ribosomi sintetizzano proteine destinate

alla secrezione, alla membrana cellulare o agli organelli del sistema

endomembranoso.

Durante la sintesi proteica, i polipeptidi nascenti entrano nel lume del RER attraverso

canali proteici. Qui iniziano a ripiegarsi correttamente e, nella maggior parte dei casi,

vengono modificati con l’aggiunta di catene zuccherine (formando glicoproteine)

grazie all’azione di specifici enzimi.

Le vescicole di trasporto contenenti le proteine appena sintetizzate si formano in una

zona specializzata del RER chiamata regione di transizione, e vengono

successivamente inviate all’apparato di Golgi per ulteriori modifiche e smistamento.

Oltre alla sintesi proteica, il RER partecipa anche alla produzione di membrane:

incorpora nuovi fosfolipidi e proteine, che verranno poi distribuiti alle varie membrane

cellulari.

Apparato del Golgi

Dopo che le proteine sono state sintetizzate nel reticolo endoplasmatico rugoso (RER),

esse vengono incapsulate in vescicole di trasporto che si dirigono verso un organello

altamente organizzato: l'apparato del Golgi. Questo sistema di membrane rappresenta

un nodo centrale nella rete di elaborazione, modifica, smistamento e spedizione dei

prodotti cellulari, in particolare delle proteine.

Strutturalmente, l'apparato del Golgi è formato da una serie di sacche appiattite,

chiamate cisterne, disposte una sopra l'altra come se fossero pile di piatti. Ogni

cisterna è delimitata da una membrana che la isola dal resto del citosol, permettendole

di svolgere funzioni specifiche. Attorno a queste strutture si trovano numerose

vescicole che partecipano al trasporto di materiali in entrata e in uscita.

Il Golgi è polarizzato, ovvero presenta due facce distinte: la faccia cis, rivolta verso il

reticolo endoplasmatico e specializzata nella ricezione del materiale, e la faccia trans,

orientata verso la membrana plasmatica, dalla quale partono le vescicole che

porteranno i prodotti finiti alle loro destinazioni finali, sia all’interno della cellula che

all’esterno.

Durante il passaggio attraverso le cisterne, le proteine subiscono modificazioni

progressive (come glicosilazioni, fosforilazioni, solfatazioni) grazie alla presenza, in

ciascuna cisterna, di gruppi enzimatici specifici. Questo consente una raffinata

elaborazione del prodotto prima della sua esportazione.

Inoltre, l'apparato del Golgi non si limita a modificare materiali prodotti altrove, ma è

anche capace di sintetizzare alcune tipologie di macromolecole autonomamente. Al

termine dell'elaborazione, le molecole vengono selezionate, etichettate con marcatori

molecolari specifici e confezionate in vescicole destinate a organelli interni, alla

membrana plasmatica o all’ambiente extracellulare.

Lisosomi

I lisosomi sono vescicole sferiche circondate da membrana, specializzate nella

digestione intracellulare. Contengono una vasta gamma di enzimi idrolitici, capaci

di demolire molecole complesse come proteine, lipidi, polisaccaridi e acidi nucleici. Tali

enzimi funzionano in modo ottimale in un ambiente fortemente acido, tipico dell’interno

del lisosoma (con pH di circa 5), a differenza del citosol, che mantiene un pH fisiologico

di circa 7,2.

Sia gli enzimi digestivi che le membrane lisosomiali vengono inizialmente sintetizzati

nel reticolo endoplasmatico rugoso e successivamente trasportati all'apparato del

Golgi, dove subiscono ulteriori modifiche prima di essere indirizzati verso i lisosomi.

Il processo digestivo può avvenire attraverso fagocitosi, durante la quale una

particella esterna (come un batterio o una porzione di materiale organico) viene

inglobata dalla cellula, formando un vacuolo che successivamente si fonde con un

lisosoma. Gli enzimi al suo interno degradano il contenuto, i cui prodotti vengono poi

trasferiti nel citosol per essere riutilizzati.

Questa funzione è essenziale non solo per il nutrimento delle cellule (come nel caso

degli organismi unicellulari), ma anche nei meccanismi di difesa degli animali, dove

cellule specializzate, come i macrofagi, eliminano agenti patogeni attraverso la

fagocitosi.

Vacuoli

I vacuoli sono compartimenti delimitati da membrana che svolgono funzioni differenti

in base al tipo cellulare. Nelle cellule animali, si presentano in forma di piccole

vescicole, mentre nelle cellule vegetali è presente un unico, grande vacuolo centrale,

che può occupare la maggior parte del volume cellulare.

Questo vacuolo ha molteplici ruoli: può contenere sostanze nutritive, ioni inorganici,

metaboliti secondari (come gli alcaloidi), pigmenti colorati (come le antocianine), e

contribuisce alla degradazione di materiali cellulari, analogamente ai lisosomi animali.

Inoltre, è fondamentale per mantenere la pressione di turgore, che conferisce rigidità

alla cellula vegetale.

Mitocondri

I mitocondri sono organelli presenti in quasi tutte le cellule eucariotiche, noti come le

centrali energetiche della cellula. Hanno una forma allungata, con una lunghezza che

varia da 1 a 10 micrometri, e sono in grado di muoversi, fondersi, frammentarsi e

moltiplicarsi indipendentemente.

Sono delimitati da due membrane: una esterna liscia e una interna molto più ripiegata,

che forma strutture chiamate creste, le quali aumentano notevolmente la superficie

disponibile per le reazioni biochimiche. Queste due membrane delimitano due

compartimenti distinti: lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale.

All’interno della membrana interna si trovano gli enzimi della catena di trasporto degli

elettroni, coinvolti nella fosforilazione ossidativa, il processo che permette la sintesi

di ATP. La matrice, invece, contiene gli enzimi del ciclo di Krebs, il DNA

mitocondriale e i ribosomi mitocondriali.

I mitocondri sono considerati organelli semiautonomi, in quanto contengono un

proprio genoma e possono sintetizzare parte delle proteine necessarie al loro

funzionamento. Queste caratteristiche supportano la teoria endosimbiotica, secondo

cui i mitocondri deriverebbero da antichi procarioti inglobati da una cellula ancestrale.

Cloroplasti

I cloroplasti sono gli organelli fotosintetici tipici delle cellule vegetali e di alcune alghe,

specializzati nella conversione dell’energia luminosa in energia chimica. Come i

mitocondri, anche i cloroplasti sono delimitati da una doppia membrana, ma

presentano una complessità interna ancora maggiore.

All’interno dei cloroplasti si trova un sistema di membrane appiattite chiamate tilacoidi,

che possono essere impilate a formare delle strutture dette grana. I tilacoidi ospitano la

clorofilla, pigmento responsabile della cattura dell’energia luminosa, oltre a proteine e

enzimi del sist