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La cellula

La cellula è l'unità base della materia vivente in grado di svolgere tutte quelle funzioni necessarie per la vita come, per esempio, la riproduzione e l'evoluzione, l'uso dell'energia, il metabolismo, la capacità di rispondere agli stimoli (sono dunque attive), la possibilità di autoregolarsi attraverso una serie di meccanismi in grado di compensare e mantenere equilibrato lo stato originario. La scienza che si occupa di studiare la cellula e la sua struttura viene chiamata citografia.

Le cellule presentano una grande varietà di forme e funzioni ma, nonostante questa ampia varietà, sono tutte fondamentalmente simili: le funzioni di base sono svolte dagli stessi meccanismi, sono composte dagli stessi ioni, molecole e macromolecole le quali partecipano a reazioni chimiche simili. Basti pensare che in tutti gli organismi viventi le istruzioni genetiche, i geni, sono immagazzinate nel DNA (acido desossiribonucleico), formato da due catene di molecole avvolte a formare una doppia elica, ove sono presenti quattro nucleotidi. Il DNA viene trascritto in molecole di RNA (acido ribonucleico).

Le varie cellule si uniscono per formare i vari tessuti. Un insieme di tessuti forma gli organi che, a loro volta, si raggruppano in sistemi i quali lavorano insieme per un organismo funzionante.

Le unità di misura in biologia animale

Lo studio della cellula e delle sue componenti è reso complicato da un problema dimensionale: ovviamente questi piccoli corpuscoli non possono essere studiati ad occhio nudo. Le unità di misura da introdurre sono essenzialmente due: il micrometro (µm), corrisponde ad un millionesimo di metro 10^-6, ed è utile per misurare quegli elementi che, seppur piccoli, risultano grossi nel mondo microscopico come i mitocondri, i cloroplasti, le cellule batteriche. Il nanometro, corrisponde invece ad un miliardesimo di metro 10^-9, serve per misurare i corpuscoli più piccoli e sottili come il ribosoma.

Gli strumenti utilizzati sono il microscopio ottico, soprattutto per i corpuscoli più grossi, e il microscopio elettronico il quale sfrutta un raggio di elettroni che viene deviato e messo a fuoco da un campo magnetico. Ne esistono di due tipi: il primo a scansione (SEM), il secondo a trasmissione (TEM).

I biologi hanno distinto due tipi fondamentalmente differenti di struttura cellulare: la prima, la più semplice e corrispondente ai batteri, la seconda più complessa. Il primo gruppo è quello dei procarioti (dal greco pro-, precedente) con una forma di vita antica priva di una membrana che circonda e delimita il nucleo, il secondo riguarda invece gli eucarioti (eu- in greco significa autentico mentre -karion significa nucleo) con un vero e proprio nucleo.

Da un punto di vista biologico è più corretto descrivere gli organismi per la loro appartenenza ad uno dei tre domini: bacteria, archea ed eucarioti.

I bacteria includono la maggior parte degli organismi a singola cellula, con un nucleo non delimitato da membrana, come per esempio i batteri. Hanno una struttura molto elementare, possiedono il DNA, il citoscheletro è assente o molto semplice, il citoplasma è privo di organelli circondati da membrana, i tempi di riproduzione sono estremamente veloci.

Gli archea, anche noti come archeobatteri, includono organismi in grado di vivere in condizioni estreme con strategie metaboliche molto differenti. Ricordiamo, per esempio, i metanogeni capaci di trasformare CO₂ e H₂ in metano (CH₄), gli alofili (alo-, sale) che riescono a vivere in ambienti estremamente salini, gli acidofili e i termofili.

Gli eucarioti costituiscono le piante, i funghi e gli animali. Hanno una struttura complessa con un nucleo e organuli delimitati da membrana. Il citoscheletro, il quale dona contrattività, movimento e supporto strutturale alla cellula, è composto da una struttura proteica e non membranosa. Infine si dividono per mitosi. Nel prossimo capitolo verranno esaminate tutte le componenti di una cellula eucariota.

La cellula eucariota: una visione d'insieme

Tutte le cellule eucariote sono circondate, delimitate, da una membrana plasmatica la quale definisce i confini della cellula e assicura che i composti interni non vengano dispersi. È costituita da lipidi, fosfolipidi e proteine. Tali componenti si dispongono in due livelli: le molecole fosfolipidiche, caratterizzate dalla presenza di due code idrocarburiche e una testa polare (sono dunque anfipatiche per il loro duplice comportamento polare/apolare), dispongono le teste polari, contenenti un gruppo fosfato, verso l'esterno e le code idrocarburiche verso l'interno.

Anche le proteine presenti nelle membrane sono anfipatiche e svolgono più ruoli come, per esempio, attività catalitica (enzimi), ancore per gli elementi strutturali del citoscheletro, proteine di trasporto le quali permettono il passaggio di specifiche sostanze attraverso la membrana stessa e, infine, alcune proteine sono importanti recettori di segnali chimici esterni. Le membrane plastiche sono selettivamente permeabili ovvero sono molto permeabili alle molecole non polari e piuttosto impermeabili a molte molecole polari ed agli ioni; questi ultimi composti possono passare attraverso una particolare membrana solo se in questa sono presenti appropriate proteine di trasporto.

Il nucleo è considerabile come il centro di controllo dell'intera cellula. È delimitato dall'involucro nucleare a sua volta composto da due membrane: una più interna, l'altra più esterna. Un'importante caratteristica di questo involucro riguarda la presenza di numerosi piccoli pori presenti sulla superficie che permettono uno scambio di materiale tra citoplasma e nucleo. Il nucleo contiene i cromosomi, facilmente visibili nella divisione cellulare dove si presentano concentrati, in numero variabile. Nel nucleo sono anche presenti i nucleoli ovvero i responsabili della sintesi e dell'assemblaggio della maggior parte delle proteine e degli RNA necessari a formare i ribosomi.

Il volume interno della cellula, a esclusione del nucleo, è chiamato citoplasma ed è occupato dagli organuli e dal citosol, un semifluido con una consistenza simile al miele, nei quali essi sono sospesi. Il citosol occupa più della metà del volume interno della cellula. Agli inizi degli studi cellulari si pensava che il citosol fosse una sostanza amorfa: con nuovi studi questa teoria è stata modificata. È infatti permeato da una struttura tridimensionale di microfilamenti e microtubuli chiamata citoscheletro. I suoi tre maggiori elementi strutturali sono: i microtubuli, i più grandi, descrivibili come dei cilindri cavi e con un ruolo fondamentale nell'organizzazione del citoscheletro, nel movimento intracellulare di macromolecole e altri materiali e, infine, nell'organizzazione delle fibre del fuso durante la divisione cellulare; i microfilamenti, ovvero i più piccoli componenti del citoscheletro, conosciuti soprattutto per essere polimeri dell'actina e quindi per il ruolo nella contrazione muscolare; i filamenti intermedi sono i più stabili e i meno solubili tanto da essere, molto probabilmente, la struttura resistente che sostiene l'intera impalcatura del citoscheletro.

Un organello estremamente importante è rappresentato dal mitocondrio, sede della respirazione cellulare; un mitocondrio è piuttosto grande, lungo alcuni µm, paragonabile quindi ad una cellula batterica. La maggior parte delle cellule contengono centinaia di mitocondri (il numero e la posizione può comunque variare in base al ruolo della cellula stessa) ciascuno circondato da una membrana interna ed una esterna. Introflessioni di tali membrane creano le creste e contengono la matrice semifluida che riempie l'intero organello. Il mitocondrio ossida composti come gli zuccheri e i grassi al fine di ottenere ATP, sintetizzata anche da particolari proteine. I mitocondri dunque consumano O₂ e producono CO₂ per la respirazione aerobica cellulare.

Nel citoplasma della maggior parte delle cellule eucariote si estende una rete di membrane chiamata reticolo endoplasmatico, RE, (endo = all'interno del plasma cellulare) costituito da membrane tubulari e sacche membranose dette cisterne. Lo spazio interno racchiuso dalle membrane è detto lume. Tale reticolo può essere rugoso o liscio. Il RE rugoso è così detto per la presenza di ribosomi sul lato della membrana rivolta verso il citosol. Proprio per la presenza di ribosomi, di piccolissime dimensioni con un diametro di 30 nm non considerabili realmente organuli poiché sprovvisti di membrana, il RE rugoso sintetizza proteine.

Il RE liscio è invece privo di ribosomi e non ha alcun ruolo nella sintesi proteica. È però coinvolto nella sintesi di lipidi e steroidi, come il colesterolo, è responsabile dell'insalivazione e della detossificazione di composti che potrebbero essere tossici per la cellula come i farmaci. In aggiunta è un importante deposito del calcio.

Strettamente collegato al RE troviamo il complesso del Golgi (dal nome del suo scopritore italiano) costituito da vescicole appiattite con un ruolo fondamentale nella maturazione e nell'impacchettamento di proteine di secrezione e nella sintesi di polisaccaridi complessi. Il complesso del Golgi potrebbe essere visto come un centro di maturazione: quasi tutto ciò che entra in tale apparato della cellula (lato cis - in collegamento con il RE) ne esce in forma diversa, matura e impacchettata, pronta per essere espulsa dalla cellula (lato trans).

Una volta rielaborate dall'apparato del Golgi, proteine di secrezione ed altre sostanze, vengono inglobate in vescicole di secrezione che portano tali materiali al di fuori della cellula. I lisosomi, piccoli organuli di circa 0,5-1,0 micrometri di diametro e circondati da una sola membrana, scoperti negli anni '50, sono un esempio di prodotto del RE rugoso che, una volta raggiunto il complesso del Golgi, vengono impacchettati in vescicole. I lisosomi contengono al loro interno l'idrolasi, un enzima in grado di digerire specifiche molecole biologiche come i grassi, le proteine e i carboidrati. Nel complesso contengono più di quaranta enzimi diversi che funzionano a pH=5.

Organelli simili ai lisosomi per le dimensioni, la singola membrana e la mancanza di strutture interne, sono i perossisomi che svolgono svariate funzioni in base alla natura della cellula che li ospita ma hanno tutti la stessa comune proprietà: grazie all'enzima catalasi possono produrre o decomporre il perossido di idrogeno (H₂O₂), composto altamente tossico per la cellula. Il perossido di idrogeno è decomposto in H₂O + O₂. Si trovano in molti tipi di cellule ma soprattutto in quelle del fegato e nei reni. Tra le altre potenzialità ricordiamo la detossificazione da composti dannosi, come il metanolo, l'etanolo e la formaldeide, il catabolismo di sostanze non comuni come i D-amminoacidi e la degradazione degli acidi grassi.

Infine le cellule contengono un altro tipo di organello circondato da membrana detto vacuolo utilizzato per l'accumulo temporaneo e per il trasporto.

Gli agenti che invadono la cellula

A volte le cellule possono essere uccise o subire una variazione nelle normali funzioni a causa di svariati agenti che comprendono i virus, i viroidi e i prioni. I virus sono parassiti non cellulari che invadono ed infettano le cellule, riprogrammandola in modo che produca nuove cellule virali: nessun virus è infatti capace di dare vita ad un nuovo suo simile attraverso un processo di autoduplicazione. I virus non sono formati da cellule: non sono quindi considerati organismi viventi. Sono formati da un involucro proteico chiamato capside che al suo interno contiene una o più molecole di DNA o di RNA. I virus infatti, a differenza delle cellule che invadono, contengono solo uno dei due tipi di acido nucleico. Alcuni virus possono essere circondati da una membrana derivante dalla membrana plasmatica della cellula ospite: virus di questo tipo sono chiamati virus con involucro (ne è esempio il virus che provoca l'AIDS). I virus che infettano cellule batteriche sono chiamati batteriofagi o, più semplicemente, fagi.

Agenti più semplici e piccoli dei virus sono i viroidi i quali possono apparentemente solo infettare cellule eucariote. I viroidi sono piccole molecole circolari di RNA costituite da 300-400 nucleotidi, vengono replicate dalla cellula ospite e non codificano alcuna proteina. Sono i responsabili di svariate malattie che colpiscono piante da raccolto come la patata e il tabacco: essi forse entrano nel nucleo e interferiscono con la trascrizione del DNA in RNA in un processo detto RNA silencing.

I prioni sono altri agenti infettivi non cellulari: con il termine si descrivono le particelle proteiche infettive colpevoli di malattie neurologiche come la "mucca pazza". Tali proteine sono delle versioni non ben ripiegate delle normali proteine. (malattia di Alzheimer).

I componenti chimici della vita

Il 93,7% della massa degli esseri viventi è composto da: C (carbonio), O (ossigeno), H (idrogeno) e N (azoto) mentre il restante 7,3% è formato da Ca (componente di ossa e denti, importante per la contrazione muscolare, la trasmissione sinaptica e la secrezione ormonale), P (componente di [ATP e ADP] acidi nucleici e fosfolipidi di membrana, importante per l'energia), K (regola la funzione nervosa e la contrazione muscolare), S (presente nelle proteine nei ponti di solfuro), Na (regola la funzione nervosa ed interviene nel trasporto attraverso le membrane), Cl, Mg. Gli altri elementi, come lo iodio, si trovano solo in tracce. Bisogna notare che tutti questi composti sono molto semplici, posti nei primi periodi della tavola periodica.

L'ossigeno è importante per la respirazione cellulare, per l'assemblaggio di composti organici e inoltre è il componente dell'acqua.

L'atomo di carbonio è quello più importante delle molecole biologiche con una proprietà esclusiva e fondamentale: la valenza 4, la quale gli permette di formare quattro legami covalenti con altri atomi, creando composti di carbonio di tipo lineare, ciclico o ramificato. Conferisce quindi alla molecola contenente carbonio una grande diversità di struttura e di funzione. I legami covalenti hanno livelli energetici elevati e quindi i composti sono molto stabili. Inoltre i composti contenenti questo elemento sono caratterizzati da una grande varietà e dalla possibilità di formare stereoisomeri.

Anche l'idrogeno è fondamentale nei composti organici, è un componente dell' H₂O e ha un ruolo essenziale nei trasferimenti di energia (H⁺).

L'azoto è un componente delle proteine e degli acidi nucleici.

Anche la molecola di H₂O richiede una particolare attenzione essendo il composto più abbondante nelle cellule (si parla di una percentuale compresa tra il 75-85% di peso). Le sue caratteristiche più importanti sono la polarità, che è responsabile della capacità della molecola di acqua di stabilizzare la temperatura e della sua coesività, e le sue proprietà di solvente universale.

È proprio la distribuzione disuguale degli elettroni a conferire all'acqua la sua polarità (forma una struttura triangolare con un angolo di 104,5° con l'atomo di ossigeno, elettronegativo e quindi carico negativamente, al vertice). Grazie alla polarità le molecole di H₂O si attraggono e si orientano spontaneamente in modo tale da legare l'atomo di O con l'atomo di H di un'altra molecola: le attrazioni di questo tipo sono detti legami ad idrogeno, un'interazione non covalente con una forza pari a circa un decimo rispetto al legame covalente forte. È proprio questa tendenza a formare legami ad idrogeno che spinge l'acqua ad essere così coesiva: tale coesione spiega molte proprietà dell'acqua come la sua elevata tensione superficiale, elevati punti di ebollizione, calore specifico e calore di evaporazione.

Proprio il suo elevato calore specifico, ovvero la quantità di calore che bisogna fornire ad un grammo di sostanza per aumentare la sua temperatura di 1°, permette all'acqua di essere un ottimo stabilizzatore di temperatura. Questa caratteristica è fondamentale per la vita: per esempio le cellule liberano una significativa quantità di energia durante le reazioni metaboliche e, tale rilascio di energia, rappresenterebbe un grosso problema per il riscaldamento cellulare se l'acqua non fosse in grado di stabilizzarne la temperatura. L'acqua ha anche un elevato calore di evaporazione, ovvero la quantità di energia che bisogna fornire ad un grammo di liquido perché esso si converta in vapore; questo spiega perché l'acqua sia un ottimo refrigerante e perché le persone sudano, i cani ansimano e le piante perdono acqua durante la traspirazione.

Ma sicuramente la sua proprietà fondamentale, da un punto di vista biologico, è il fatto di essere un ottimo solvente, un fluido nel quale un'altra sostanza, detta soluto, può essere disciolta. I soluti che si sciolgono in H₂O vengono detti idrofili (affini all'acqua) come gli zuccheri, gli acidi organici ed alcuni amminoacidi. Le molecole che non sono solubili vengono dette idrofobiche (paura dell'acqua) come i lipidi e le proteine di membrana. L' H₂O ha un'elevata costante dielettrica che riduce la forza di attrazione di cariche ioniche in soluzione e dissocia dunque sali, basi, acidi in forma ionica ed in soluzione gli ioni sono idratati ovvero circondati da molecole di H₂O attratte dalla carica ionica. Infine il legame idrogeno determina le proprietà delle tre forme di H₂O a diverse temperature: ghiaccio, acqua e vapore.

La dissociazione dell'H₂O e pH in soluzione

L'H₂O si dissocia in ioni H⁺ e OH^- secondo queste relazioni: H₂O → H⁺ + OH^-.

Il prodotto tra [H⁺] [OH^-] è costante e a 25°...