La Cellula

Le Cellule sono le unità fondamentali di tutti gli organismi viventi. 

Anche se il termine cellula fu introdotto la prima volta da R. Hooke nel 1665, la cellula non fu realmente osservata fino all'invenzione del primo microscopio, quasi duecento anni dopo. Hooke riuscì ad osservare una sezione di sughero, in cui fu capace di individuare minuscole cellule trasparenti. Paragonando queste "celle" a quelle degli alveari, gli attribuì il nome "cellula". 

Negli anni seguenti si scoprì che queste celle erano presenti anche negli organismi animali e vegetali, in seguito lo scienziato Rudolf Virchow affermò che ogni cellula deriva da ogni cellula. L'insieme di queste teorie ha portato alla formazione della teoria cellulare, che si può riassumere in:

• Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule, unità elementari che hanno caratteristiche comuni.
• La cellula è sia l'unità strutturale, sia quella funzionale degli organismi viventi.
• Ogni cellula deriva da una cellula precedente preesistente.

Le cellule, unità vive, per rimanere tali devono avere continuamente scambi con l'esterno, utilizzando la membrana cellulare e gli altri organuli.

Esistono due tipi di cellula, una cellula Procariote e una Eucariote.

Entrambi i tipi di cellula mantengono caratteristiche comuni. Tutte possiedono il Materiale Genetico (DNA), circondato da una porzione fluida che prende il nome di Citoplasma. Tutto il corpo della cellula è poi racchiuso all'interno di una Membrana Plasmatica, un involucro molto sottile che la contiene e la separa dall'esterno. 

Il numero di cellule che compongono un organismo varia: da una sola cellula per gli organismi definiti unicellulari a diversi milioni per gli organismi pluricellulari 

(composti quindi da più cellule). 

La forma delle cellule è strettamente collegata alla sua funzione. Ad esempio le cellule di rivestimento sono piatte e allungate mentre quelle a contatto con i fluidi sono sferiche, per consentire un miglior movimento.

La cellula Procariote è la più semplice, tanto che per molti organismi la cellula corrisponde all'organismo stesso.

Le dimensioni sono nell'ordine dei micron, da 0,1µm fino a 30µm per alcuni batteri di grosse dimensioni. La forma è prevalentemente ovale.

La caratteristica fondamentale delle cellule Procarioti è che sono privi di membrana nucleare: il materiale genetico si trova nel citoplasma, in una zona chiamata nucleoide.

La cellula è rivestita da una ulteriore membrana, la parete cellulare, costituita da peptidoglicani. Assieme al citoplasma, formato da citosol e organelli, tutti questi componenti sono fondamentali.

Esistono poi dei componenti accessori, i quali non sono sempre presenti. Tra questi abbiamo la capsula, un ulteriore rivestimento in muco e polisaccaridi presente in alcune cellule batteriche. Abbiamo poi la spora, una struttura protettiva di quiescenza, e i pili e le fimbrie, degli organuli di movimento.

 

Materiale Genetico

 

La cellula Procariote contiene un unico filamento di DNA, racchiuso su sé stesso avvolto ad anello, ancorato alla membrana plasmatica. Solitamente questo unico filamento contiene un solo cromosoma ed è concentrato in una zona del citoplasma che prende il nome di nucleoide.

 

Il filamento contiene tutte le informazioni genetiche (struttura e metabolismo), che trasmette alle cellule figlie durante la duplicazione.

 

All'interno della cellula Procariote si trovano anche dei plasmidi.

I Plasmidi sono corti tratti racchiusi ad anello liberi nel citoplasma, che si duplicano in fasi e in metodi diversi rispetto al filamento principale e che caratterizzano la variabilità genetica tra i batteri. Sono i tratti su cui lavora principalmente l'ingegneria genetica e vengono sfruttati per la produzione di OGM.

Abbiamo ad esempio:

• I Plasmidi F - Fertilità. Sviluppano un pilo sessuale che consente lo scambio di materiale genetico tra due batteri.
• I Plasmidi R - Resistenza. Forniscono resistenza agli antibiotici.
• I Plasmidi V - Virulenza. Consentono la produzione di tossine chiamate enterotossine.
• I Plasmidi D - Degradazione. Consentono la scomposizione degli idrocarburi.

 

 

 

Parete Cellulare

La Parete cellulare ha la funzione di proteggere la cellula e sostenerla, dal momento che risulta molto rigida e resistente. 

E' formata da peptidoglicani, sequenze di amminoacidi e carboidrati.

I peptidoglicani sono eteropolimeri, cioè formati da diversi monomeri.

La parte glicanica è costituita da acido N-Acetilmuranico (NAM) e N-Acetilglucosammina (NAG), che si legano con un legame 1,4βglicosidico.

La parte pepdtidica consiste invece in una serie di 4 amminoacidi che si legano al NAM.

La Membrana Cellulare ha diverse funzioni:

• Racchiude la cellula e le da la sua forma caratteristica.
• Mantiene separato l'ambiente interno da quello esterno, evitando l'ingresso di sostanze dannose.
• Rende possibile il passaggio di sostanze con l'esterno, fondamentale per la vita della cellula.

Dal momento che nella cellula Procariote, a differenza della Eucariote, mancano molti organelli, la membrana ha funzioni più estese. 

Su di esse sono presenti delle introflessioni dette Mesosomi, che aumentano la superficie della membrana per contenere enzimi necessari per la respirazione cellulare e pigmenti fotosintetici. 

Nella membrana delle cellule Procarioti si svolgono anche processi di biosintesi e produzione di energia.

Si dice che la membrana sia a "mosaico fluido", dal momento che è formata da un doppio strato di fosfolipidi tra i quali si posizionano proteine e altre molecole, che sono in continuo movimento Osserviamo ora i vari componenti.

All'interno del doppio strato, i fosfolipidi sono orientati con le teste idrofile all'esterno, mentre hanno le code idrofobe vicine tra loro. Questo accade perché da entrambi i lati è presente un ambiente acquoso, che attira le teste polarizzate.

Attraverso questo strato possono passare solo molecole molto piccole e sostanze idrofobe.

Lungo il doppio strato fosfolipidico troviamo poi proteine periferiche esterne, proteine periferiche interne, proteinte di canale o transmembrana e opanoidi.

Le proteine periferiche interne ed esterne hanno la funzione di riconoscimento delle molecole che devono entrare o uscire dalla cellula. In particolare, sulle proteine esterne sono posizionati specifici siti di legame, come per esempio quelli del sistema immunitario.

Le proteine transmembrana invece sono le proteine responsabili del passaggio di molecole dentro e fuori la cellula. Attraversando il doppio strato, costituiscono un canale di passaggio diretto per grandi molecole.  Queste possono passare attraverso diffusione facilitata o pompa ionica (vedi trasporto di sostanze). 

 Gli Opanoidi sono composti simili agli steroidi, presenti esclusivamente nella membrana della cellula Procariote. La loro funzione è regolare la fluidità della membrana.

Il Citoplasma è formato da due porzioni: il Citosol è la pozione liquida, una soluzione acquosa contenente sali e macromolecole, e alcuni organelli. 

Essendo molto più primitiva, la cellula Procariote possiede solo ribosomi e corpi di inclusione.

I Ribosomi hanno piccole dimensioni e non sono rivestiti da membrana. Partecipano alla sintesi delle proteine, in particolare formando la loro struttura primaria.

Consistono in due sub-unità, entrambe formate da rRNA, e si trovano liberi nel citoplasma.

I Corpi di Inclusione sono invece corpuscoli sferici che contengono sostanza. Possiedono un involucro in proteine, in lipidi o in polisaccaridi.

Abbaiamo ad esempio:

• I Corpi di Riserva, che contengono nutrienti (Glicogeno, Polifosfati e Polisaccaridi).
• I Clorosomi, che contengono pigmenti fotosintetici.
• I Corpi di Inclusione Gassosi, che consentono ad alcuni batteri di galleggiare.
• I Magnetosomi, che contengono ossido di ferro, il quale oriente i batteri sfruttando il magnetismo.

La Capsula è un rivestimento esterno accessorio. Può essere di tre tipi:

1. Capsula propriamente detta.
   Può essere formata da omo o etero polisaccaridi, da proteine oppure mista in mucopolisaccaridi. E' lo strato con lo spessore medio e contiene la componente antigenica.
2. Glicocalice o Strato Mucoso.
   Formato appunto da muco, è lo strato con lo spessore più elevato, anche se meno denso. Serve principalmente per aderire ad un substrato.
3. Guaina.
   Strato più sottile, formato da proteine reticolari organizzate in strutture cristalline che consente alla cellula maggior difesa: diventa infatti più difficile fagocitarla.

Nella cellula Procariote le appendici esterne hanno funzione locomotoria e di adesione.

Abbiamo due diversi tipi di estroflessioni: i Flagelli e i Pili.

I Pili o Fimbrie hanno dimensione di 2µm e sono cavi all'interno, per consentire lo scambio di materiale genetico (dei plasmidi).

Sono costituiti da pilina, una proteina globulare che si dispone in modo elicoidale e sono disposti solitamente su tutto il corpo cellulare. 

I Flagelli raggiungono dimensioni di 15µm e a seconda della posizione in cui sono disposti sulla cellula, i batteri vengono classificati in:

• Atrichi, cioè privi di flagelli.
• Monotrichi, quando è presente solo un flagello.
• Peritrichi, quando i flagelli sono presenti su tutta la superficie.
• Lofotrichi, quando sono presenti ciuffi di flagelli ad un polo della cellula.
• Anfitrichi, quando sono presenti solamente due flagelli alle estremità.

Sono costituiti da flagellina, una proteina globulare che si dispone a formare strutture cave elicoidali. Il movimento può essere a scatto, a frusta o rotatorio.

La spora è una struttura accessoria presente solamente in alcune specie batteriche. E' una struttura di resistenza, utilizzata quando le condizioni dell'habitat dell'organismo vengono alterate (cambiamenti di temperatura, variazioni di pH, raggi Uv).

Il processo di formazione della spora prende il nome di sporogenesi o sporulazione e avviene in organuli specifici chiamati sporangi.

La sporogenesi avviene secondo le seguenti fasi:

1. Concentrazione.
   Il batterio concentra il suo citoplasma, il DNA e qualche organulo in una zona preferenziale. Intorno rimangono acqua e alcune molecole.
2. Disidratazione.
   La cellula espelle l'acqua e i sali minerali, mantenendone solo un 10-15%.
3. Rallentamento Metabolico.
   Vengono svolte solo le reazioni indispensabili. L'organismo entra in una fase di quiescenza.
4. Produzione degli involucri.
   Si formano i rivestimenti della spora.
5. Liberazione.
   Quando gli involucri sono pronti la membrana forma un setto di separazione. La spora viene liberata.

Il processo inverso prende il nome di Germinazione e avviene quando le condizioni dell'Habitat tornano ad essere favorevoli. Si ha il ripristino delle normali concentrazioni di acqua, gli involucri vengono disintegrati e infine la cellula "esce" dalla spora.

La Cellula Eucariote è la cellula più evoluta, presenta infatti molti organelli dispersi nel citoplasma cellulare, completamente assenti nella cellula Procariote. 

Le dimensioni sono circa 10 volte maggiori, rispetto alla cellula precedente. La forma è strettamente collegata alla funzione.

La caratteristica fondamentale delle cellule Eucariote è la presenza di un Nucleo, un organello provvisto di membrana che contiene il materiale genetico. .

La teoria dello sviluppo della cellula Eucariote prende il nome di Teoria Endosimbiontica.

Secondo gli scienziati, circa 2miliardi di anni fa, un grande batterio (cellula Procariote) avrebbe fagocitato un piccolo batterio eterotrofo e un piccolo batterio autotrofo.

Convivendo in simbiosi, i batteri più piccoli avrebbero perso la loro individualità, trasformandosi in una parte della cellula del primo grande batterio.

Questo diede origine alla cellula Eucariote, possedente organelli.

Il primo batterio, fagocitando un batterio eterotrofo, diede origine alla cellula animale (possedente mitocondri), mentre il secondo, ingerendo un batterio autotrofo, diede origine a quella vegetale, in cui sono presenti i cloroplasti.

La cellula Eucariote possiede una membrana plasmatica, del tutto similare a quella della cellula Procariote, fatta eccezione per gli opanoidi che vengono sostituiti dal colesterolo, la cui funzione è la stessa. Rimangono presenti anche Citoplasma, Appendici Esterne che però risultano essere più grosse. Difatti non sono più presenti i pili ma strutture similare chiamate ciglia. Sono presenti anche i Ribosomi, in quantità molto maggiori. 

La cellula Eucariote presenta anche lievi differenze se Animale o Vegetale e possiede un numero molto superiore di organelli all'interno del citoplasma, che sono totalmente assenti nella cellula Procariote, meno evoluta.

Il Nucleo della cellula Eucariote ha forma sferica ed è posizionato al centro della cellula. 
E' racchiuso da una doppia membrana, interrotta da microfori chiamati pori, che permettono il passaggio dell'RNA. In questo modo il DNA rimane in relazione con il Citoplsma e può coordinare tutte le attività della cellula.

All'interno del nucleo è contenuto il materiale nucleare, formato da filamenti di DNA e proteine chiamate Istoni, che avvolgono il DNA (vedi DNA - Acidi Nucleici).

Il numero di Filamenti corrisponde al numero di cromosomi, che caratterizza ogni organismo. L'insieme dei filamenti prende il nome di Cromatina.

La zona dove i filamenti sono più condensati prende invece il nome di Nucleolo. Qui viene sintetizzato l'RNA che svolgerà le sue funzioni nel citoplasma.

Come per la cellula Procariote, anche nella cellula Eucariote sono presenti i ribosomi. 

I ribosomi sono gli unici organuli non derivati da una membrana e sono i più piccoli che la nostra cellula possiede.

Sono presenti numerosissimi ribosomi liberi nel citoplasma, che si occupano di formare la struttura primaria delle proteine, mentre molti altri si dispongono sulle pareti del Reticolo Endoplasmatico Ruvido.

L'RER è un organello che solo la cellula più evoluta possiede. La sua funzione è sintetizzare il secondo,il terzo e il quarto livello strutturale delle proteine. 

L'Apparato di Golgi è formato da piccoli sacchi, circondati da membrana, chiamati cisterne. La sua funzione è quella di magazzino cellulare, difatti raccoglie le proteine e le smista.

Si occupa anche di sintetizzare le molecole miste, come le lipoproteine.

Dall'apparato di Golgi possono anche staccarsi porzioni di membrana, dando origine a vescicole, utilizzate per il trasporto di molecole al di fuori della cellula.

Il Reticolo Endoplasmatico Liscio è costituito da un insieme di membrane di forma tubolare. E' definito liscio perché su di esso sono assenti i ribosomi.

L'REL partecipa alla sintesi dei lipidi.

I mitocondri sono gli organuli energetici della cellula. Sono presenti sia nella cellula Eucariote animale che in quella vegetale. 

Qui avviene il processo di respirazione della cellula, processo che consente di scomporre il glucosio in presenza di ossigeno, per ottenere acqua e anidride carbonica.

Questo processo consente di liberare energia, che l'organismo utilizza come calore corporeo e per svolgere le reazioni chimiche metaboliche.

La respirazione cellulare è il processo inverso alla fotosintesi.

All'interno dei mitocondri sono presenti anche piccoli frammenti di materiale genetico, prova a favore per la teoria endosimbiontica.

Il Citoscheletro è lo "scheletro" della cellula. Ne mantiene la forma, da sostegno e consente alcuni movimenti.

Consiste di un insieme di filamenti sottilissimi, che formano una "ragnatela" che si ancora alla proteine periferiche interne.

In base alle dimensioni abbiamo:

• Microfilamenti - diametro di 7nm.
  Costituiti da una proteina globulare chiamata actina. 
• Filamenti Intermedi - diametro di 10nm
  Formati da proteine fibrose che creano dei cordoni.
• Microtubuli - diametro di 25nm
  Tubuli cavi all'interno, formati da tubulina. La tubulina è una molecola proteica formata da due molecole, tubulina alfa e beta.

La Cellula Eucariote Vegetale presenta alcune differenze rispetto a quella animale.

• In aggiunta alla Membrana Plasmatica, la cellula vegetale possiede un ulteriore rivestimento: la Parete.  
  La parete, formata da cellulosa, conferisce alla cellula vegetale rigidità e la classica forma poligonale.

• Sono presenti organelli aggiuntivi: i Vacuoli.
  I vacuoli sono organelli presenti esclusivamente nella cellula vegetale.
  Si occupano di raccogliere prodotti di rifiuto e acqua. Fornisce la pressione di turgore, ovvero la pressione esercitata sulla parete cellulare, necessaria per sostenere la cellula.

• Sono presenti sia Mitocondri, sia Cloroplasti. I Cloroplasti sono gli organuli energetici della cellula. Hanno funzione di produrre glucosio a partire da molecole inorganiche, sfruttando l'energia luminosa, attraverso un processo chiamato fotosintesi. L'energia luminosa viene così convertita in energia chimica.
  Questa reazione avviene grazie a dei pigmenti fotosintetici, contenuti in Tilacoidi, piccoli dischi coperti da membrana raggruppati in file chiamate Grane.
  
  

La Cellula Eucariote Animale presenta alcune differenze rispetto a quella vegetale.

• Non presenta parete ma esclusivamente membrana cellulare

• Non presentano Cloroplasti.

• Sono presenti i Centrioli.  Essi sono organelli di forma cilindrica, costituiti da 9 gruppi di tre microtubuli ciascuno, che hanno un ruolo nella divisione cellulare.
  

Sono varie le cause che possono portare una cellula alla morte, vediamole insieme.

• Un Trauma
• Una Ferita
• L'esposizione ad una tossina batterica

Questi elementi possono provocare la necrosi della cellula. La membrana cellulare si rompe, causando lo scoppio della cellula, che si riempie di liquido extracellulare.

Esiste anche l'apoptosi, cioè la morte programmata della cellula. L'apoptosi è un vero e proprio "suicidio" che la cellula mette in atto quando non è più necessario, oppure quando accumula gravi mutazioni genetiche. Infatti, più la cellula vive più rischia di riportare danni genetici, che potrebbero sfociare in tumori maligni.

Solitamente quando una cellula programma l'apoptosi inizia ad isolarsi dalle altre cellule, frammenta il suo materiale genetico e emette delle protuberanze, che finiranno per frammentarsi e verranno assimilati dalle cellule vicine.