Cellula procariote ed eucariote

Appunti di biologia

Microscopia

La comprensione che ogni essere vivente è costituito da cellule fu permessa dalla realizzazione, nel Seicento, del primo strumento capace di amplificare notevolmente la capacità risolutiva dell'occhio umano. Il potere ottico risolutivo è la distanza minima al di sotto della quale non siamo più in grado di vedere due punti come distinti tra loro; quello dell'occhio umano è di circa 1/10 di millimetro. Questo significa che non siamo in grado di percepire come distinti due punti posti a distanza inferiore di 0,1 mm. Per poter risolvere, e quindi individuare, oggetti le cui dimensioni sono inferiori al potere risolutivo dell'occhio, sono state dapprima utilizzate le comuni lenti di ingrandimento e poi i microscopi.

Le cellule sono entità molto piccole e non visibili ad occhio nudo. Per questo possiamo utilizzare dei microscopi, i quali si dividono in diverse categorie:

• Microscopio ottico: è dotato di due sistemi di lenti: l'obiettivo e l'oculare. L'obiettivo è rivolto verso il tavolino portaoggetti sul quale viene deposto il campione da esaminare; uno specchio dirige un fascio di luce attraverso il preparato e l'obiettivo ne proietta un'immagine ingrandita verso l'oculare, che a sua volta la ingrandisce. Il microscopio ottico consente di ingrandire l'immagine fino a circa 2000 volte. Il suo potere risolutivo non consente di distinguere distanze inferiori a 0.0002 mm, ovvero 0.2 micrometri o 200 nanometri. L'osservazione al microscopio ottico permette di vedere le principali strutture cellulari, come il nucleo, i mitocondri e i cromosomi durante la mitosi, ma non consente di osservare le strutture subcellulari. Gli oggetti più piccoli che si possono vedere con questo tipo di microscopio sono i batteri, che hanno dimensioni medie intorno ai 2 micrometri.
• Microscopio elettronico: a partire dagli anni Trenta è stato sviluppato il microscopio elettronico, basato sull'utilizzo, al posto della luce visibile, di un fascio di elettroni. I fasci di elettroni utilizzati sono associati a lunghezze d'onda più brevi di quelle della luce, quindi permettono di ottenere un più elevato potere di risoluzione, rendendo possibile l'osservazione delle strutture subcellulari. I microscopi elettronici si dividono in due tipi:
  • Microscopio elettronico a trasmissione (TEM): un fascio di elettroni, messo a fuoco in modo molto preciso da lenti elettroniche, dopo aver attraversato l'oggetto da ingrandire, molto sottile e opportunamente trattato, colpisce uno schermo fluorescente sul quale si forma l'immagine. Il TEM è attualmente lo strumento dotato del maggior potere risolutivo, pari a circa 0.2 nanometri, ovvero 2 angstrom, e permette di analizzare e evidenziare la struttura fine delle cellule.
  • Microscopio elettronico a scansione (SEM): un raggio di elettroni esplora l'oggetto; gli elettroni non attraversano il campione bensì sono riflessi dalla sua superficie, formando in questo modo un'immagine tridimensionale. Questo tipo di microscopio è dotato di un potere di risoluzione pari a circa 10 nanometri, inferiore al TEM, ma permette di realizzare rappresentazioni tridimensionali estremamente interessanti di cellule e strutture cellulari.

Biologia cellulare

Oggetto di studio della biologia sono gli esseri viventi e il loro funzionamento. L'aspetto fondamentale che distingue un organismo vivente da un oggetto inanimato è la capacità di riprodursi generando altri organismi dotati delle stesse caratteristiche fondamentali, controllate da un programma genetico.

Ogni essere vivente è caratterizzato da un insieme di proprietà che lo distinguono da un oggetto non vivente:

• Gli organismi sono formati da cellule: a esclusione dei virus, tutti gli esseri viventi, dai più semplici ai più complessi, sono formati da unità strutturali e funzionali chiamate cellule. Gli esseri viventi più semplici, detti unicellulari, sono formati da una sola cellula, i pluricellulari da più cellule, generalmente un numero elevato.
• Gli organismi crescono e si sviluppano: la crescita è l'aumento di dimensioni dovuto all'aumento delle dimensioni e/o del numero delle cellule. Lo sviluppo comprende i cambiamenti, strutturali e fisiologici, che si verificano in ogni organismo nel corso della propria vita.
• Gli organismi si riproducono: tutti gli esseri viventi sono in grado di generare altri organismi simili a se stessi, garantendo così la perpetuazione della specie a cui appartengono.
• Gli organismi regolano il proprio metabolismo: gli esseri viventi sono in grado di scambiare materia ed energia con l'ambiente circostante e di trasformare energia da una forma all'altra. In tutti gli organismi avvengono continuamente un gran numero di reazioni chimiche e il loro insieme costituisce il metabolismo. Queste reazioni metaboliche sono accuratamente regolate per garantire l'omeostasi, cioè la stabilità delle caratteristiche dell'ambiente interno.
• Gli organismi rispondono agli stimoli: tutti i viventi, con meccanismi diversi, possono percepire cambiamenti che avvengono nell'ambiente esterno e mettere in atto processi in risposta a tali cambiamenti.
• Gli organismi possiedono informazione genetica: l'informazione relativa alla struttura e al funzionamento di ogni essere vivente è contenuta in un programma costituito da geni, formati in tutti gli organismi (tranne alcuni virus) da DNA.
• Le popolazioni viventi sono soggette a evoluzione: le caratteristiche delle popolazioni viventi cambiano nel tempo adattandosi ai cambiamenti dell'ambiente circostante.

Quindi possiamo riassumere dicendo che la chiave delle differenze tra organismi viventi e oggetti non viventi è l'organizzazione. A sua volta, organizzazione è sinonimo di ordine, ovvero un essere vivente è formato da una serie di parti dotate di una conformazione specifica, ovvero da parti diverse che cooperano in modo armonico. Infine, il mantenimento di strutture "ordinate" richiede energia, quindi più l'organismo è evoluto e più energia serve per mantenerlo.

In ogni organismo vivente avvengono quindi una serie di reazioni in parti diverse delle cellule per fornire energia all'organismo. Inoltre, possiamo dire che le diverse molecole e gli organelli contenuti nel citoplasma cooperano per permettere la vita della cellula. Più cellule simili formano un tessuto, più tessuti uguali compongono un organo, più organi compongono un apparato, più apparati compongono un organismo, più organismi compongono una popolazione, poi una specie, una comunità ed infine un ecosistema.

La teoria cellulare

Il termine cellula fu introdotto per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke per descrivere le piccole cavità evidenziate osservando una sezione di sughero con un primo semplice microscopio. Da lì in poi è stata studiata nel dettaglio e vi è stata formulata una teoria:

• Una cellula può essere definita come un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una membrana, pieno di una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato della capacità di produrre copie di se stesso, crescendo e dividendosi in due.
• Le cellule sono unità elementari: tutti gli organismi viventi sono composti da cellule, dotate di proprietà comuni.
• La cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale: negli organismi viventi molte funzioni complesse sono rese possibili dall'esistenza di una continua cooperazione tra cellule diverse.
• Ogni cellula deriva da un'altra preesistente e viene trasmessa dalle cellule parentali alle cellule figlie durante la divisione cellulare.
• L'informazione genetica risiede nel DNA.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Le cellule possono essere divise in due grandi categorie:

1. Cellule procariotiche
2. Cellule eucariotiche

Le cellule procariotiche

Le cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule esistenti: le loro dimensioni si trovano nell'intervallo 0.5-5 micrometri con un valore medio di 2 micrometri. Sono procarioti gli organismi appartenenti al gruppo degli archebatteri e gli eubatteri, quest'ultimi comprendono i batteri e i cianobatteri, o alghe azzurre. È importante ricordarsi che:

• Tutti i procarioti sono sempre unicellulari e sono i batteri; queste cellule non formano mai strutture differenziate, al massimo si aggregano in semplici filamenti cellulari.
• Le cellule procariote sono costituite da:
  • Membrana cellulare: la membrana plasmatica dei procarioti serve per delimitare l'interno dall'esterno. La membrana dei procarioti forma delle invaginazioni dette mesosomi, i quali sono sede di diversi siti enzimatici e sono coinvolti in processi quali respirazione, fotosintesi, divisione cellulare e sintesi dei...