Introduzione alla cellula vegetale

Introduzione alla cellula vegetale

La cellula è l'unità funzionale di tutti gli esseri viventi. In particolare, con il termine "unità funzionale" si intende che ogni singola cellula è capace di compiere da sola tutte le tipiche funzioni degli esseri viventi come assorbimento degli alimenti, metabolismo e la sua regolazione automatizzata, produzione di energia, crescita e sviluppo, riproduzione, risposta agli stimoli esterni, e così via...

Una parte di una cellula isolata dal resto non è in grado di svolgere tutte le funzioni, ne conserva solo alcune, ad esempio il nucleo o un mitocondrio. L'organizzazione cellulare è importante in quanto aiuta ad aumentare la superficie e su questo si basa la teoria cellulare valida fino ad oggi (1839), che afferma che tutti gli esseri viventi sono formati interamente da cellule considerate le più piccole unità indipendenti. La materia vivente è sempre suddivisa in unità più piccole, non forma mai un'unica massa. Infatti, è curioso che non si è mai formata una serie alternativa. Il frazionamento della materia vivente in unità più piccole in parte autosufficienti è una condizione necessaria per la vita, giustificato dalla presenza di una grande superficie relativa.

Concetto di superficie relativa

Il concetto di superficie relativa è molto importante in tutta la biologia. Nessun organismo può vivere senza scambi con l'esterno. Dall'ambiente vengono assorbiti gli alimenti, l'acqua e l'ossigeno, e nell'ambiente viene scaricata l'anidride carbonica prodotta dalla respirazione insieme alle scorie del metabolismo. La vita è possibile solo se questi scambi avvengono con una certa velocità, e questa velocità dipende dalla superficie che viene messa a disposizione dall'organismo per il contatto con l'ambiente. Più è grande la superficie, maggiore sarà la velocità degli scambi. Quindi, per un essere vivente è vantaggioso avere una grande superficie, ed essa sarà anche riferita alla grandezza dell'organismo.

Il concetto di superficie relativa è dato dal rapporto tra superficie e volume. La suddivisione in cellule dà all'organismo una grandissima superficie attraverso la quale possono avvenire tutti gli scambi di materiale con l'esterno. Questa superficie sarebbe molto più piccola in un organismo fatto di un'unica grossa massa di materia vivente non suddivisa in unità più piccole. La suddivisione dell'organismo in unità più piccole fa sì che la superficie risulti notevolmente aumentata, il che aumenta la possibilità di rendere gli scambi più efficienti con l'esterno. Nelle piante, gli spazi sono pieni di aria in cui ossigeno e anidride carbonica possono diffondere molto velocemente.

Il concetto di superficie relativa dipende da due fondamentali elementi: le dimensioni e la forma. Superficie in mm² e il volume in mm³. A parità di forma geometrica, la superficie dipende dalle dimensioni. Maggiore è il cubo, tanto minore sarà la sua superficie relativa. Un oggetto dalla forma irregolare con molte sporgenze o rientranze ha una superficie maggiore rispetto a un oggetto di pari volume ma dalla forma regolare. La sfera è quella che ha la superficie minima relativa. Tanto più un oggetto si allontana da quella forma sferica, tanto maggiore sarà la minima superficie relativa.

Attraverso delle deviazioni, si può aumentare la superficie: forma allungata, estesa, piatta, forma sferica cava all'interno, forma isodiametrica (sporgenze e rientranze). Alcune cellule possono essere più grandi della media pur senza avere una superficie relativa troppo piccola. Si può avere una cellula con dimensioni macroscopiche in una direzione e microscopiche nelle altre due. Per esempio, una sfera allungata o una cellula con una grande cavità interna piena d'acqua (vacuolo). La soluzione grande e vacuolo centrale è la più diffusa nel regno vegetale.

Una cellula eucariotica

La forma e le dimensioni della cellula sono legate alla funzione che essa deve svolgere. Tra le cellule vegetali, la forma sferica è rara; più frequente è quella poliedrica. Al microscopio, può apparire di sezione ellittica, quadrangolare, poligonale, stellata, allungata, e tutte queste dipendono dalle funzioni a cui sono deputate, con dimensioni tra 10-40 micrometri di diametro.

La membrana plasmatica (plasmalemma) distingue nettamente una cellula eucariotica da quella procariotica. Ha la funzione di presiedere a tutti gli scambi interni ed esterni e viceversa che la cellula ha con l'ambiente circostante. Ed è in particolare costituita da un doppio strato di fosfolipidi che presentano i poli idrofobi costituiti da lunghe catene di acidi grassi e la parte idrofila costituita dal gruppo fosfato a contatto con il mezzo acquoso presente internamente ed esternamente alla membrana stessa. In questo doppio strato fosfolipidico sono presenti numerose proteine che presentano una parte idrofoba disposta nella parte interna della membrana a contatto con le catene degli acidi grassi ed una parte idrofila che si affaccia invece su una o entrambe le facce della membrana stessa. Queste proteine sono le principali responsabili del comportamento stesso della membrana. Al microscopio, appare come una pellicola sottilissima, infatti ha uno spessore di circa 0,05-0,1 micron e avvolge l'intera cellula.

La membrana cellulare è formata in particolare da proteine di lipidi complessi, soprattutto fosfolipidi, e rappresenta una soluzione di compromesso tra due funzioni ed esigenze opposte: 1) quelle di separare il contenuto cellulare dall'ambiente esterno e 2) permettere gli scambi tra cellula e ambiente. Le proteine di membrana hanno la funzione di trasportatori specifici, ognuna di esse è capace di trasportare all'interno della cellula una determinata sostanza, ad esempio il glucosio o gli ioni potassio, o in altri casi di espellerla. Sono comunque dei trasportatori che utilizzano ATP per muovere le sostanze attraverso la membrana.

Essa quindi rappresenta una barriera chimica selettiva che decide quali molecole possono entrare e quali possono uscire dalla cellula. Inoltre, la membrana non ha solo la funzione di barriera chimica, essa può captare i segnali che provengono dall'esterno e convogliarli verso l'interno della cellula. Sulla membrana cellulare si possono trovare particolari recettori di alcuni ormoni, per questo si può definire la membrana come un organo di senso. Inoltre, la membrana racchiude un materiale semifluido, il citoplasma.

Citoplasma

Il citoplasma è un materiale semifluido in cui sono sospesi gli organuli cellulari, sede di importanti vie metaboliche, ad es. la glicolisi e la sintesi degli acidi grassi. Il citoplasma è costituito da proteine che con le loro fibrille collegano tra loro tutti gli organuli citoplasmatici, compresi i ribosomi. L'organulo che risalta per le sue grandi dimensioni è:

Il nucleo

Il nucleo ha grossolanamente la forma di una sfera da 5-10 micron di diametro ed è delimitato da una doppia membrana nel cui si aprono numerosi pori, in cui sono racchiusi i cromosomi, i portatori (sede) dell'informazione genetica, fatta per la maggior parte da DNA e proteine. Esse hanno la forma di lunghissimi filamenti che diventano ben evidenti solo al momento della mitosi e della meiosi quando sono in forma condensata, cioè sono avvolti in stretti giri di spirale. Inoltre, produce i ribosomi sintetizzati a livello dei nucleoli (zone del nucleo particolarmente ricche di RNA) e poi vengono trasferiti nel citoplasma attraverso i pori nucleari; inoltre attraverso essi passano pure molecole di RNA messaggero che vengono sintetizzate a livello dei cromosomi utilizzate poi nel citoplasma come portatrici di informazione per la sintesi di proteine. Quindi il nucleo è certamente l'organulo che risalta maggiormente.

Reticolo endoplasmatico

Un'altra caratteristica del citoplasma è l'essere intersecato da un sistema di membrane simili a quella plasmatica come spessore e composizione chimica. Questo complesso sistema di membrane è costituito dal reticolo endoplasmatico. Il reticolo endoplasmatico è costituito da membrane simili alla membrana plasmatica per spessore che formano canali che delimitano cavità chiuse dette cisterne. Ne esistono due tipi di reticolo endoplasmatico che si distinguono in base alla presenza o assenza dei ribosomi sulla loro superficie esterna:

• SER (liscio): Privo di ribosomi, ha alcune funzioni specializzate legate al metabolismo lipidico.
• RER (ruvido): Molto più abbondante e viene riconosciuto al microscopio elettronico per la presenza di ribosomi che appaiono come dei granuli molto scuri. Quando si osservano molto numerosi in una cellula è il segnale che la cellula sta sintetizzando attivamente proteine.

Altri ribosomi non sono legati alle membrane del reticolo ma sono liberi nel citoplasma. Le proteine sintetizzate dai ribosomi liberi vanno a finire nel citoplasma da cui verranno eventualmente trasportate verso vari organuli cellulari. Mentre le proteine sintetizzate dai ribosomi attaccati alle membrane del reticolo endoplasmatico vengono scaricate nelle cisterne (vescicole di transizione) dove subiranno l'aggiunta di catene oligosaccaridiche e da lì verranno direzionate verso compartimenti diversi, verso l'interno della cellula o secrete all'esterno.

Apparato di Golgi

All'interno del citoplasma è rappresentato dall'apparato di Golgi (dictiosoma), costituito da gruppetti di sacchi membranosi appiattiti impilati da cui si distaccano lateralmente vescicole sferiche. Ciascuno di questi gruppetti prende il nome di apparato del Golgi. Esso è implicato in numerosi processi di rimaneggiamento e smistamento di prodotti che devono essere secreti all'esterno oppure trasportati in altri compartimenti della cellula. I principali tra questi prodotti sono polisaccaridi e proteine sintetizzate da ribosomi attaccati al reticolo endoplasmatico e secrete verso le cisterne dove hanno subito l'aggiunto di catene oligosaccaridi. Sede di sintesi dei polisaccaridi non cellulosici ed elaborazione delle proteine. Le proteine così modificate passano nell'apparato del Golgi che elabora in vari modi le catene oligosaccaridiche e infine vanno a finire nelle vescicole che le porteranno a destinazione. Queste vescicole rappresentano un mezzo di trasporto per tutte le molecole elaborate nel reticolo endoplasmatico o nell'apparato di Golgi. Gli oligosaccaridi modificati attaccati alle proteine sono diversi a seconda della loro destinazione finale. L'apparato del Golgi funziona come un centro di smistamento, alla proteina viene attaccato un oligosaccaride diverso con un'etichetta diversa in base alla destinazione.

Ribosomi e mitocondri

Ribosomi: Granuli scuri costituiti da due subunità di differente dimensione, una subunità maggiore ed una minore, con la funzione di sintesi proteica.

Mitocondri: Centrale energetica della cellula, garantiscono la produzione di energia sotto forma di ATP. Un mitocondrio di norma ha una forma allungata e può arrivare a parecchi micron di lunghezza ed è circondato da due membrane, la più interna delle quali forma dei setti chiamati creste mitocondriali che si spingono a pettine verso l'interno dell'organulo. Nei mitocondri, inoltre, gli spazi non occupati dalle strutture membranose contengono una sostanza amorfa che prende il nome di matrice, nella quale sono contenuti enzimi che catalizzano il ciclo di Krebs, e i trasportatori di elettroni dalla catena respiratoria che sono inseriti in gran parte nello spessore delle creste.