Una cellula è troppo piccola per essere visibile a occhio nudo. Infatti il nostro occhio può vedere oggetti fino ad un diametro di un decimo di mm, mentre una cellula ha un diametro di un centesimo di mm. Ogni cellula non è mai isolata ma è strettamente associata ad altre con stesse funzioni che insieme formano i tessuti.

Per questo quando Robert Hooke osservò fettine sottilissime di sughero numerose piccole cavità ben delimitate da pareti di separazione. Quegli spazi vuoti erano gli involucri in cui erano contenute le cellule vive. Quindi Hooke aveva osservato le pareti delle cellule morte. Dalle prime osservazioni di Hooke ci vollero quasi due secoli per giungere alla formazione della teoria cellulare. la quale afferma che tutti i viventi sono costituiti di cellule.

A questa conclusione ci arrivarono due scienziati tedeschi, mettendo a confronto dei loro studi su piante e animali. Essi finirono nel concordare che tutte le minuscole strutture presenti nelle piante e negli animali sono le stesse unità costitutive della vita. La teoria cellulare fu poi definitivamente accertata da Virchow e affermava che:

• la cellula è la più piccola organizzazione della materia dotata di vita
• Tutti i viventi sono costituiti da un numero più o meno grandi di cellule.
• Ogni cellula compie le funzioni proprie del vivente, cioè respira, scambia materiali con l'esterno, reagisce agli stimoli e si riproduce.
• Ogni cellula proviene da un'altra cellula preesistente.

Un organismo vivente può essere formato da una sola cellula sarà allora un organismo unicellulare alcuni batteri. Oppure può essere formato da più cellule e allora sarà un organismo pluricellulare come gli animali. Ogni organismo pluricellulare inizia la propria esistenza sotto forma di unica cellula, la cellula uovo fecondata. Le dimensioni di un organismo non dipendono dalla grandezza delle cellule ma dal loro numero.

Per studiare una cellula il primo mezzo di studio è il microscopio. Il primo microscopista fu leeuwenhoek il microscopio che lui usava era un microscopio semplice cioè formato da una sola lente biconvessa e raggiungeva ingrandimenti fino a 300 ingrandimenti. Da questo microscopio si passò ben presto al microscopio composto, ancora usato in laboratorio. È formato da un doppio sistema di lenti: l'obbiettivo che fornisce una prima immagine ingrandita dell'oggetto, e l'oculare che riprende e ingrandisce ulteriormente l'immagine. Questo microscopio può dare ingrandimenti fino a 1500 volte. Il potere di ingrandimento di un microscopio non è illimitato anzi più aumenta l'ingrandimento più l'immagine diventa sfocata. La proprietà di fornire immagini nitide di oggetti ingranditi è detta potere di risoluzione. Un microscopio ha alta risoluzione quando due punti ingranditi appaiono distinti; ha bassa risoluzione quando i due punti appaiono come un ammasso di contorni confusi. Poi è nato il microscopio elettronico che ci fa ottenere fino centomila ingrandimenti. Per illuminare il preparato questo microscopio usa un fascio di elettroni. L'apparecchio lavora sottovuoto ed è più grande di quello ottico gli elettroni attraversano il preparato e vanno a formare un immagine in bianco e nero che viene stampata su una pellicola fotografica. Questo tipo di microscopio elettronico è chiamato a trasmissione; esiste anche quello a scansione che permette di ottenere immagini tridimensionali di piccoli organismi.

Le osservazioni al microscopio hanno portato a una distinzione di due tipi basilari di cellule. La cellula procariote molto più piccola di quella eucariote ( ha un diametro di circa un millesimo di millimetro ) e senza nucleo evidente. La cellula eucariote è dotata di un nucleo ben evidente, delimitato da una membrana.

La cellula procariote è la cellula dei batteri. Tutti gli altri esseri sono costituiti da cellule eucariote. Per misurare la grandezza di una cellula si usa il micron che corrisponde ha un millesimo di millimetro.

 La cellula procariote è dotata di un rivestimento protettivo, la parete, sotto alla parete si trova la membrana cellulare una sottilissima pellicola che delimita il citoplasma il citoplasma è una gelatina acquosa omogenea punteggiate da piccolissime strutture, i ribosomi. Sparso nel citoplasma troviamo anche un ammasso filamentoso di DNA. Il DNA controlla tutte le attività cellulare ed è anche la sede dei caratteri ereditari. La cellula eucariote a differenza di quella procariote è più grande e complessa, presenta un nucleo in cui è racchiuso il DNA. Al suo interno è percorsa da un sistema di membrane, simili alla membrana che la delimita esternamente. Queste membrane creano gli organuli e ognuno di esso ha un proprio compito. La cellula procariote, nonostante la sua semplicità ha una complessa organizzazione egli organismi unicellulari sono i più diffusi sulla terra.

Quando comunemente parliamo della cellula ci riferiamo a quella eucariote; la cellula eucariote è delimitata da una sottile membrana che è il confine tra l'ambiente esterno e quello interno. È chiamata membrana cellulare e ricopre il ruolo di regolare lo scambio dei materiali tra l'ambiente interno della cellula e l'ambiente in cui si trova.

La membrana cellulare è detta selettiva cioè che fa passare solo alcune sostanza come l'acqua, l'ossigeno e l'anidride carbonica la passano spontaneamente; mentre il passaggio di altre sostanze è regolato da particolari meccanismi di trasporto. La membrana non va confusa con la parete cellulare che si sovrappone ad essa rivestendo la parte esterna della cellula delle piante e dei funghi. Nelle cellule delle piante la parete, fatta per lo più da cellulosa, forma una scatoletta rigida e robusta che tiene in forma e sostiene la cellula; quindi ha una funzione protettiva e di sostegno. Inoltre la parete cellulare è una delle principali caratteristiche che differenzia la cellula vegetale da quella animale.

La membrana racchiude il citoplasma; che è percorso dal reticolo endoplasmatico, un sistema continuo di membrane simili a quella cellulare e nel suo complesso sviluppa una superficie totale superiore a quella della membrana esterna.

Al microscopio si possono individuare due tipi di reticoli: il reticolo endoplasmatico ruvido dall'aspetto granulare perché sulla sua superficie esterna aderiscono i ribosomi; il reticolo endoplasmatico liscio invece è privo dei ribosomi.

I ribosomi sono la sede in cui vengono prodotte le proteine, in base alle istruzioni del DNA. Il citoplasma, in particolare nella cellula animale, è attraversato da una sottile trama di tubuli e filamenti, il citoscheletro il quale è responsabile del sostegno meccanico, della flessibilità e dei movimenti della cellula.

Gli organuli della cellula eucariote non sono strutture statiche, ma cambiano forma e dimensione durante la loro attività.

Il nucleo è l'organulo più importante poiché garantisce la vita alla cellula.  Al suo interno troviamo la cromatina una sostanza complessa formata da DNA legato a proteine. Il nucleo è il centro direzionale della cellula ed è la sede delle informazioni che determinano i caratteri discendenti con il DNA.

Nella cellula animale il nucleo lo troviamo più o meno al centro, nella cellula vegetale è addossato alla membrana. Esso è delimitato dalla membrana nucleare, che ha delle piccole aperture, i pori nucleari, che permettono lo scambio di sostanze.

In condizioni di intensa attività possono apparire iù nucleoli, corpuscoli sferici composti per lo più da una sostanza simile al DNA l'RNA che troviamo anche nei ribosomi.

I mitocondri sono organuli a forma di fagiolo che dispensano energia alla cellula e sono considerati la centrale energetica della cellula. I mitocondri sono delimitati da una doppia membrana. Su quella più interna avvengono le reazioni che utilizzano l'ossigeno proveniente dall'esterno. Quindi i mitocondri sono anche la sede della respirazione cellulare. I mitocondri hanno una propria piccola parte di DNA chiamato DNA mitocondriale indipendente da quello del nucleo.

I cloroplasti sono organuli che si trovano nelle parti verdi delle piante e sono coinvolti in processi di tipo energetico. Hanno la forma di piccole lenticchie e sono ben visibili al microscopio ottico. Sono avvolti da una doppia membrana separata alla quale un'altra membrana separata si ripiega formando degli strati impilati l'uno sull'altro, detti tilacoidi. Il colore verde è dovuto alla clorofilla un pigmento contenuto nei tilacoidi, che cattura la luce del sole che serve alla fotosintesi clorofilliana. Quindi i cloroplasti sono la sede della fotosintesi clorofilliana. Hanno una piccola quantità di DNA personale nelle cellule delle piante nelle parti prive di clorofilla si accumulano organuli simili ai cloroplasti, i plastidi che sono magazzini cellulari.

L'apparato di Golgi è costituito da una serie di sacchetti schiacciati non collegati tra loro, simili a palloncini sgonfiati,  è l'ufficio di spedizione della fabbrica cellulare. Ogni sacchetto si rigonfia  alle estremità in vescicole che si distaccano e si dilatano trainate dal citoscheletro. Loro rifiniscono e distribuiscono le sostanza prodotte dai ribosomi e dal reticolo endoplasmatico ruvido che vengono trasportate verso la membrana cellulare o membrane di altri organuli.

I LISOSOMI sono organuli prodotti da alcune vescicole questi lisosomi sono delimitati da una membrana impermeabile che impedisce al loro contenuto acido di disperdersi nel citoplasma. L'alta acidità favorisce il lavoro degli enzimi demolitori infatti nei lisosomi avviene la demolizione delle sostanze di rifiuto, dei microrganismi penetrati nella cellula e anche degli organuli in disuso della cellula stessa. I lisosomi sono anche chiamati sacchi suicidi perché in particolari situazioni si rompono, riversando il loro contenuto nella cellula distruggendola, si compie cioè un'autolisi.

I vacuoli sono simili ai lisosomi, sono organuli tipici di piante e funghi. Sono piccoli e numerosi nella cellula giovane, nella cellula matura si ingrandiscono formando un unico grande vacuolo. Loro hanno diverse funzioni: gonfi d'acqua contribuiscono alla rigidità e al sostegno delle piante grazie alla pressione che esercitano sulle pareti; alcuni vacuoli tengono in deposito sostanze nutrienti che serviranno alla cellula nella fase della crescita.

Ciglia e flagelli

Sono delle sottili estroflessioni del citoplasma percorsi da tubuli del citoscheletro. Le ciglia sono corte e rivestono tutta la superficie cellulare. I flagelli  sono più lunghi e robusti. Con i loro movimenti ondulatori determinano i movimenti della cellula.

CELLULA AL LAVORO

La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono inserite, del tutto o in parte, delle proteine di membrana. Alcune di esse servono per incanalare o trasportare alcune sostanze dentro e fuori dalla cellula; la membrana contiene anche i materiali citoplasmatici. La membrana non ha una struttura rigida. Alcune sostanze come, l'acqua e l'anidride carbonica, attraversano facilmente la membrana cellulare e il loro passaggio avviene per diffusione. Altre sostanze invece no la possono attraversare quindi la membrana è detta semipermeabile. La diffusione è quel fenomeno fisico per il quale le sostanze tendono a spostarsi dalle regioni in cui si trovano in quantità maggiore, cioè con concentrazione maggiore, a quelle in cui si trovano in quantità minore, cioè con concentrazione minore. La diffusione avviene spontaneamente senza impiego di energia. La diffusione dell'acqua e dell'anidride carbonica attraverso una membrana semipermeabile è detta osmosi.

La diffusione trasferisce sostanze da regioni con concentrazione maggiore a regioni con concentrazioni minore si dice cioè che si muovono secondo gradiente; però talvolta è necessario far entrare delle sostanze contro gradiente, cioè da dove ce n'è di meno a dove ce n'è di più. Questo tipo di trasferimento richiede un trasporto attivo il quale richiede un consumo di energia. Con l'intervento di proteine di trasporto come ad esempio la pompa sodio-potassio.

Tutti i processi vitali richiedono energia, e questa energia la ricaviamo dal cibo. L'energia utilizzabile dalle cellule di tutti gli esseri viventi è depositata nella molecola di uno zucchero semplice, il glucosio. La reazione di combustione del glucosio, che nelle cellule libera energia utile per le attività dell'organismo, è detta respirazione cellulare.

La respirazione cellulare avviene in tutte le cellule della maggior parte degli organismi. Però il modo in cui si procurano il glucosio, gli organismi eterotrofi come gli animali, e gli organismi autotrofi come le piante, è diverso. Infatti, mentre le cellule delle piante utilizzano il glucosio che esse stesse hanno prodotto con la fotosintesi, quelle degli animali usano quello che ricavano dagli alimenti.

La respirazione cellulare è divisa in tappe le quali sono controllate dagli enzimi e si verificano in due fasi: la prima, detta fase anaerobica o glicolisi avviene nel citoplasma senza coinvolgere l'ossigeno; la seconda detta fase aerobica avviene nei mitocondri e richiede ossigeno.

A ogni tappa della respirazione si libera un po' di energia che viene temporaneamente immagazzinata in speciali molecole di deposito chiamate ATP.

L'ATP chimicamente è un nucleotide formato dalla base azotata Adenina, dallo zucchero ribosio da Tre gruppi fosfato ( P ) il nome per esteso è adenosintrifosfato. L'ATP si forma a partire da un nucleotide con solo due gruppi di fosfato chiamato perciò ADP. La reazione da ADP ad ATP richiede energia e parte di questa è incamerata nella molecola di ATP. Ogni molecola di ATP, dopo che ha immagazzinato energia, è in grado di dispensarla alle cellule. Tutte le cellule usano l'energia contenuta nell'ATP per svolgere le loro funzioni, e quando questo avviene l'ATP si decomponi in ADP.

Nelle piante e in altri organismi avvengono reazioni che usano l'energia luminosa per formare legami chimici: sono le reazioni della fotosintesi, in cui l'energia luminosa del sole viene catturate e usata per produrre molecole ricche di energia come il glucosio. La fotosintesi avviene nei cloroplasti; essa per procedere richiede:

• L'energia luminosa del sole
• La clorofilla, la sostanza che cattura l'energia della luce solare e a cui le piante devono il loro verde;
• L'anidride carbonica e l'acqua, le cui molecole forniscono gli atomi di carbonio necessari per formare il glucosio.

Nei cloroplasti sono contenuti gli enzimi necessari per la reazione della fotosintesi. La quale si tratta di una serie di reazioni assai complesse, che avvengono schematicamente in due fasi:

• La prima, quella in cui catturata l'energia della luce del sole è detta fase luminosa perché avviene solo in presenza di luce;
• La seconda, che è il continuo della prima, in cui l'anidride carbonica viene usate per sintetizzare il glucosio e altri zuccheri è detta fase oscura perché avviene anche al buio.

Le razioni della fase luminosa in questa fase le molecole di clorofilla captano l'energia necessaria per scindere la molecola dell'acqua la molecola dell'acqua in idrogeno e ossigeno. L'ossigeno si libero come prodotto di scarto ed esce dai cloroplasti, mentre l'idrogeno viene usato per le successive reazioni della fase oscura. Inoltre nella fase luminosa parte dell'energia luminosa è utilizzata anche per produrre ATP. Quindi in pratica durante la fase luminosa si libera ossigeno e si forma ATP.

Le reazioni della fase oscura in questa fase l'anidride carbonica, proveniente dall'aria, e l'idrogeno, che si è liberato nella fase luminosa, sono utilizzati per produrre glucosio e altri zuccheri usando l'energia dell'ATP.

come sono prodotte le proteine? Nel DNA troviamo le informazioni necessarie per la costruzione delle proteine. Ogni tratto di DNA che porta l'informazione per la sintesi di una proteina è detto gene. Lungo la molecola del DNA si susseguono più geni che contengono l'informazione genetica. Il complesso dei geni di un organismo è detto genoma. Le informazioni del DNA,che si trova nel nucleo, sono trasferite nel citoplasma atraverso la copia del DNA la quale viene trasferita al di fuori del nucleo. Ciò avviene con la sintesi di un filamento di RNA a partire da uno dei due filamenti del DNA, che serve da stampo. La copiatura consiste nel disporre uno dopo l'altro, con l'aiuto di un enzima, i nucleotidi complementari al filamento di DNA. Questo RNA che contiene in copia le informazioni del DNA da trasferire nel citoplasma è detto RNA messaggero. E la costruzione di mRNA  a partire DNA è detta Trascrizione. La trascrizione inizia quando nel nucleo, l'enzima RNA polimerasi si lega ad un tratto del DNA e comincia a svolgere la doppia elica spezzando i legami di idrogeno. L'enzima avanza lungo il DNA del gene in via di trascrizione posizionando l'uno dopo l'altro i nucleotidi della nuova molecola di mRNA. Mediante la trascrizione l'informazione contenuta nel DNA viene trasferita all' mRNA che attraverso i pori della membrana nucleare passa nel citoplasma. Qui in corrispondenza dei ribosomi, verrà letta l'informazione che indica come collegare nell'ordine giusto gli aminoacidi per costruire le proteine.

La traduzione i geni, in termini molecolari sono sequenze di quattro basi azotate. Il linguaggio del DNA è formato da un alfabeto di quattro lettere ma quello delle proteine è formato da ben 20 aminoacidi. Però queste quattro basi riescono ad indicare i 20 aminoacidi attraverso il codice genetico che consiste nell'indicare ciascun aminoacido con una sequenza di tre basi. Combinando le basi azotate a tre a tre si possono ottenere 64 combinazioni che bastano per indicare i 20 aminoacidi. Ogni terna di base è chiamata tripletta. Visto il soprannumero di combinazioni possibili, ogni aminoacido può essere codificato da più di una tripletta. Ci sono anche alcune triplette che non codificano nessuna proteina ma danno delle informazioni di fine.

Il processo che permette alla cellula di passare dalla lettura dell'informazione alla costruzione della proteina è detto traduzione questa avviene nei ribosomi, assieme al tRNA l'RNA di trasporto. tRNA è una molecola che ha il compito di agganciare i singoli aminoacidi e trasportarli sui ribosomi. Ogni codone dell'mRNA viene riconosciuto dall'anticodone, la tripletta complementare, di una molecola di tRNA a cui è associato un aminoacido. Via via che i codoni sono riconosciuti dagli anticodoni, gli aminoacidi trasportati da questi ultimi si sono collegati l'uno all'altro e formano la proteina.

La duplicazione del DNA è il meccanismo molecolare che porta alla formazione di due molecole di DNA identiche tra loro. La duplicazione inizia similmente alla trascrizione solo che qui vengono copiati entrambi i filamenti di DNA. Questi due filamenti vengono aperti rompendo i deboli legami di idrogeno. Ognuno dei filamenti funziona così da stampo per la costruzione di un nuovo filamento complementare. Grazie all'enzima DNA polimerasi si ricostruisce il filamento mancante e si formano due doppie eliche e siccome ciascuna doppia elica ha un filamento proveniente dal DNA duplicato e uno nuovo è detta duplicazione seminuova. Nella duplicazione del DNA il rischio di errore di copiatura è alto perciò esistono enzimi che correggono questi errori e nel caso non venga corretto un errore si ha una mutazione.

Da una a due cellule ogni istante milioni di cellule del nostro corpo si dividono per rimpiazzare le cellule vecchie. Per passare da una a due cellule in anzitutto la cellula madre, cioè quella che si deve dividere, deve essere grande abbastanza per fornire ad ambedue le cellule figlie un po' di citoplasma e di organuli per iniziare il loro ciclo vitale. Quindi le cellule devono ricevere in dote le informazioni necessarie per produrre tutte le proteine di cui avranno bisogno. Cioè ogni cellula figlia deve ricevere il corredo completo dei cromosomi della cellula madre. Durante la riproduzione cellulare la fase più delicata è proprio la ripartizione di tutti i cromosomi duplicati tra le due cellule: questo avviene attraverso una serie di processi che nell'insieme è chiamata mitosi.

La mitosi è suddivisa in quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase

La profase prima della mitosi, nel nucleo il DNA e le proteine a esso legate formano la cromatina, non ancora organizzati in cromosomi. All'inizio della profase la cromatina comincia ad addenarsi e i cromosomi si rendono via, via distinti e visibili al microscopio. In ognuno di essi il DNA è gia duplicato e ogni singolo cromosoma è formato da due cromosomi immaturi detti cromatidi. Essi non possono essere considerati veri e propri cromosomi perché non sono indipendenti ma uniti dal centromero. Al termine della profase la membrana la membrana nucleare si dissolve, mentre nel citoplasma si irradia il flusso mitoico

Nella metafase a questo punto alle fibre del fuso mitotico si collegano mediante il centromero i cromosomi immaturi che vanno a disporsi ordinatamente al centro della cellula. In questa fase i cromosomi sono ancora formati da due cromatidi.

Nell'anafase i cromatidi di ciascun cromosoma si separano e, l'uno verso un polo , l'altro verso il polo opposto: ognuno di essi è diventato un cromosoma a tutti gli effetti. Alla fine dell'anafase ciascuno dei due poli della cellula vi è un identico gruppo di cromosomi.

Nella telofase che è la fase conclusiva della mitosi; il fuso scompare e attorno a ciascun gruppo di cromosomi si forma una nuova membrana nucleare. Quindi ora la cellula ha due nuclei con lo stesso corredo di cromosomi.

Alla fine della mitosi inizia la citodieresi che porta alla formazione di due cellule. La citodieresi è leggermente differente per gli animali e le piante. Negli animali la cellula si divide strozzandosi al centro; nelle piante la rigida parete impedisce la strozzatura. Si forma invece la piastra cellulare formata da una serie di vescicole, che dal centro della cellula si estende in direzione della membrana ed è la nuova parete che separa le due cellule figlie