Come sono organizzate le cellule

COME SONO ORGANIZZATE LE CELLULE

Le cellule sono le unità biologiche funzionali e strutturali di base. In natura esistono moltissimi tipi di cellule differenti, ma tutte le cellule hanno il DNA come materiale genetico, svolgono gli stessi tipi di reazioni chimiche e sono tutte circondate da una membrana esterna che ha la stessa impostazione strutturale nei procarioti e negli eucarioti. Ogni cellula deve procurarsi e assimilare le sostanze nutritive, eliminare i prodotti di rifiuto, sintetizzare nuovo materiale cellulare ed essere in grado di muoversi e di riprodursi. Le cellule hanno una complessa architettura interna che permette lo svolgimento di queste funzioni.

Una cellula non è un assortimento casuale di elementi, ma è un'entità dinamica e integrata. Le attività di una cellula procedono simultaneamente e s'influenzano reciprocamente.

FORMA E DIMENSIONE DELLE CELLULE

Le cellule procariote sono lunghe in media 2 µm, mentre le cellule eucariote hanno un diametro compreso tra 10 e 30 µm. Il limite principale alle dimensioni di una cellula è rappresentato dal rapporto tra volume e area superficiale: a mano a mano che diminuisce il volume, aumenta il rapporto tra superficie e volume. Le cellule più piccole hanno un rapporto maggiore tra area superficiale e volume rispetto a quelle grandi. Più è grande l'area della superficie di una cellula in proporzione al suo volume, più numerose sono le sostanze che possono entrare e uscire dalla cellula in un dato periodo di tempo.

Le sostanze che entrano ed escono dalla cellula devono attraversare la superficie della membrana; queste sostanze sono i materiali di base e i prodotti del metabolismo cellulare, che è l'insieme di tutte le attività chimiche che avvengono nella cellula. Tanto più è attivo il metabolismo della cellula, tanto più rapidamente devono avvenire gli scambi con l'ambiente.

Le cellule tendono ad essere sferiche: questa forma è determinata dalla forma della parete cellulare o da come le cellule sono attaccate alle cellule vicine e dalla pressione che esercitano fra loro; la forma di alcune cellule è determinata dalla disposizione dei filamenti strutturali posti al loro interno.

I CONFINI DELLA CELLULA

o      La membrana cellulare

La membrana cellulare separa il materiale vivente della cellula dall'ambiente circostante. Con il microscopio elettronico, essa può essere vista come una doppia linea continua, poiché la struttura di base della membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico, cioè un doppio strato di molecole fosfolipidiche disposte con le code idrofobe di acidi grassi verso l'interno.

La membrana cellulare contiene molecole proteiche sospese nel doppio strato lipidico; queste proteine integrali di membrana si estendono attraverso il doppio strato e sporgono da entrambe le parti. Le porzioni immerse nel doppio strato hanno superfici idrofobe, le porzioni che sporgono dal doppio strato sono idrofile.

Sul lato citoplasmatico della membrana, le proteine periferiche di membrana aderiscono ad alcune proteine integrali sporgenti.

Le proteine di membrana svolgono compiti differenti: alcune sono enzimi, altre recettori, altre sono proteine di trasporto.

La struttura del doppio strato è abbastanza fluida: le molecole lipidiche e proteiche si muovono lateralmente all'interno del doppio strato, formando configurazioni diverse che variano. Questo modello di struttura è detto modello a mosaico fluido.

o      Specificità della membrana

Le due superfici della membrana cellulare presentano differenze nella composizione chimica: i due strati hanno concentrazioni di molecole lipidiche diverse; lo strato esterno è ricco di glicolipidi, le cui catene di carboidrati sporgono dalla superficie della membrana, mentre le code idrofobe contenenti acidi grassi si trovano all'interno. Sul lato esterno della membrana, alle proteine integrali sporgenti sono legate catene di carboidrati, che formano le glicoproteine.

Le proteine di membrana svolgono una grande varietà di funzioni essenziali: alcune sono enzimi e regolano le reazioni chimiche, altre sono recettori coinvolti nel riconoscimento di ormoni e di molecole regolatrici, altre sono proteine di trasporto.

o      La parete cellulare

Le cellule vegetali sono circondate da una parete cellulare che è esterna alla membrana ed è costituita dalla cellula.

Quando una cellula vegetale si divide, tra le membrane delle due cellule si forma uno strato di materiale colloso che darà origine alla lamella mediana, formata da pectina e da altri polisaccaridi, che tiene unite cellule adiacenti. Su ogni lato della lamella mediana, ogni cellula vegetale costruisce la parete primaria, che contiene molecole di cellulosa affastellate in microfibrille e deposte in una matrice di polimeri viscosi; strati adiacenti di microfibrille sono orientati fra loro ad angolo retto.

La crescita delle piante è dovuta all'allungamento cellulare: la cellula aggiunge nuove sostanze alle pareti per tutto il processo di allungamento; la sua forma finale è determinata dalla struttura della sua parete cellulare.

La cellula può formare una parete secondaria che non è capace di espandersi quanto la parete primaria, perché contiene molecole che le conferiscono rigidità.

IL NUCLEO

Il nucleo delle cellule eucariote è un grosso corpo sferico ed è la struttura più visibile all'interno della cellula; è circondato da una membrana nucleare, costituita da due membrane composte di un doppio strato fosfolipidico, fuse insieme a intervalli frequenti, creando pori nucleari attraverso cui avviene il passaggio di sostanze fra il nucleo e il citoplasma.

I cromosomi si trovano all'interno del nucleo; quando a cellula non è in divisione, essi sono visibili come una massa di sottili filamenti detta cromatina. La struttura più evidente all'interno del nucleo è il nucleolo, il sito di costruzione dei ribosomi. Esso appare come un insieme di granuli e fibre sottili, che si pensa siano parti di ribosomi e filamenti di cromatina.

o      Funzioni del nucleo

Il nucleo è il vettore delle informazioni ereditarie: l'unico legame tra padre e figlio è il nucleo dello spermatozoo. Il nucleo svolge nella cellula due ruoli. Porta le informazioni ereditarie che determinano se una cellula particolare si svilupperà e in che cosa; ogni volta che una cellula si divide, queste informazioni passano alle due nuove cellule. Il nucleo svolge un'influenza sulle attività svolte dalla cellula, assicurandole il rifornimento di molecole complesse del tipo richiesto e in quantità precise.

IL CITOPLASMA

Il citoplasma è costituito da tutte le componenti cellulari che si trovano fuori dalla membrana nucleare e all'interno della membrana cellulare.

La parte fluida del citoplasma, il citosol, è una soluzione concentrata di ioni, piccole molecole e proteine. Il citosol contiene ribosomi, i complessi RNA - proteine che hanno un ruolo fondamentale nella sintesi proteica a partire dagli amminoacidi.

Nelle cellule eucariote, il citoplasma contiene compartimenti circondati da membrane, gli organuli. Essi sono tenuti fermi da una rete di filamenti proteici che formano un citoscheletro interno. Le fibre del citoscheletro mantengono la forma della cellula, le consentono di muoversi e dirigono il traffico molecolare.

o      Vacuoli e vescicole: sostegno e trasporto

Molte cellule contengono strutture dette vacuoli, cavità citoplasmatiche circondate da una membrana e piene d'acqua e di soluti. Quando si ingrandisce, il vacuolo diventa il principale elemento di sostegno della cellula.

Le vescicole hanno la stessa struttura dei vacuoli, ma sono più piccole. Esse partecipano al trasporto delle sostanze all'interno della cellula e negli scambi con l'esterno.

o      Ribosomi e reticolo endoplasmatico: biosintesi delle proteine e dei lipidi

I ribosomi sono i siti presso cui gli amminoacidi sono assemblati in proteine; nelle cellule eucariote, i ribosomi si trovano nel citosol o attaccati al reticolo endoplasmatico.

Il reticolo endoplasmatico è una serie di sacchi appiattiti, tubuli e canali connessi fra loro. Esso può essere granulare, con attaccati i ribosomi, o liscio, senza ribosomi. Il reticolo endoplasmatico granulare è collegato allo strato esterno della membrana nucleare, provvista di ribosomi; il reticolo endoplasmatico liscio è la continuazione di quello granulare. Generalmente, il reticolo endoplasmatico granulare è più abbondante di quello liscio.

La sintesi delle proteine ha inizio sui ribosomi che si trovano nel citosol; la successiva localizzazione dei ribosomi è determinata dal modo in cui saranno utilizzate le proteine appena sintetizzate.

La sintesi delle diverse proteine inizia nel citosol con la produzione di una sequenza di amminoacidi idrofobi, detta sequenza segnale: dirige le proteine che si stanno formando e i ribosomi verso regioni specifiche del reticolo endoplasmatico, cui si attaccano i ribosomi, e gli amminoacidi della sequenza segnale facilitano il passaggio delle proteine attraverso il doppio strato lipidico verso la cavità interna del reticolo endoplasmatico.

Quando le proteine sono complete, i ribosomi si staccano e ritornano nel citosol, mentre le proteine sintetizzate escono dal reticolo granulare attraverso un reticolo endoplasmatico di transizione, in cui sono avvolte in vescicole di trasporto destinate all'apparato di Golgi.

o      Apparato di Golgi: elaborazione, imballaggio e distribuzione

Ogni apparato di Golgi è costituito da pile di sacchi appiattiti, limitati da membrane e circondati da tubuli e vescicole. Ha la funzione di ricevere le vescicole provenienti dal reticolo endoplasmatico, di modificare le membrane e i contenuti delle vescicole e di inglobare i prodotti finiti in vescicole di trasporto.

Uno dei principali prodotti dell'apparato di Golgi è quello destinato alle membrane della cellula e degli organuli. I lipidi e le proteine di membrana sono trasportati nell'apparato di Golgi dove si fondono con esso; all'interno dei sacchi avviene l'assemblaggio dei carboidrati con le proteine e i lipidi. Il materiale è imballato in vescicole che hanno per meta la membrana cellulare o la membrana di un organulo.

L'apparato di Golgi svolge una funzione analoga con i materiali che vanno esportati fuori dalla cellula; i ribosomi, il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi interagiscono per produrre e distribuire le sostanze destinate alla membrana cellulare e le macromolecole da riversare all'esterno.

o      Lisosomi: demolizione e riciclaggio

Un tipo di vescicole prodotto dall'apparato di Golgi è il lisosoma, un sacco membranoso che racchiude enzimi idrolitici, che demoliscono proteine, polisaccaridi e lipidi. Le molecole risultanti sono riportate nel citosol per essere riutilizzate.

Una funzione dei lisosomi è associata ai globuli bianchi che inglobano batteri. Catturati dalla cellula, i batteri sono racchiusi in vacuoli che si fondono con i lisosomi e liberano gli enzimi idrolitici; così i batteri sono digeriti.

La membrana del lisosoma separa gli enzimi idrolitici dalla cellula. Se i lisosomi si rompono, la cellula viene distrutta perché gli enzimi idrolizzano tutte le molecole della cellula. La superficie della membrana lisosomiale all'interno della vescicola, possiede un rivestimento di carboidrati che svolge una funzione protettiva.

o      Cloroplasti e mitocondri: fabbriche cellulari di energia

Le cellule autotrofe fabbricano i composti organici ricchi di energia a partire da molecole inorganiche; le cellule eterotrofe devono procurarsi le molecole organiche da fonti esterne.

Gli autotrofi fotosintetici catturano l'energia radiante del Sole e la trasformano in energia chimica immagazzinata in molecole organiche: questo processo è la fotosintesi, che richiede clorofilla, contenuta nei cloroplasti.

Le cellule eucariote possiedono mitocondri, circondati da membrana. Nel processo di respirazione cellulare, che avviene nei mitocondri, sono demolite molecole ricche di energia, è utilizzato l'ossigeno e si libera energia, che viene usata per ricaricare molecole di ADP in ATP.

I mitocondri sono circondati da due membrane, di cui quella interna presenta numerose creste, che servono per le reazioni mitocondriali.

o      Citoscheletro: sostegno strutturale e motilità

Il citoscheletro interno mantiene la forma della cellula, fissa i suoi organuli, dirige il suo traffico interno e le consente di muoversi. Sono stati identificati tre tipi di filamenti, costituenti del citoscheletro: filamenti di actina, filamenti intermedi e microtubuli.

I filamenti di actina sono fibre proteiche formate da actina, una proteina globulare le cui molecole possono essere assemblate in filamenti che vengono uniti in fasci, chiamati fibre di tensione, e che sono ancorati alle proteine integrali della membrana citoplasmatico.

I filamenti intermedi sono composti da proteine fibrose e si irradiano nella membrana cellulare.

I microtubuli determinano la posizione degli organuli nella cellula e aiutano a dirigere il movimento degli organuli e delle vescicole.

Il citoscheletro è una struttura dinamica di sostegno che si modifica a seconda delle attività della cellula e le consente di muoversi.

Sono stati identificati due meccanismi molecolari di movimento cellulare: il primo è l'assemblaggio di proteine contrattili composti da filamenti di actina; il secondo è associato a strutture locomotorie permanenti, ciglia e flagelli, che derivano dall'assemblaggio dei microtubuli.

o      Ciglia e flagelli

Ciglia e flagelli sono strutture lunghe e sottili che si estendono dalla superficie di alcune cellule eucariote e che differiscono tra loro solo per la lunghezza: quando sono corte e numerose sono dette ciglia, quando sono lunghe e poco numerose sono flagelli.

Ciglia e flagelli sono associati a volte al movimento dell'organismo; generalmente, le ciglia servono a ripulire la superficie cellulare.

Le ciglia e i flagelli delle cellule eucariote presentano la stessa struttura interna: 9 coppie di microtubuli formano una specie di cilindro che circonda 2 microtubuli centrali. Il movimento di ciglia e flagelli deriva dall'interno delle strutture stesse: ogni coppia esterna di microtubuli si muove trainando la coppia più vicina. Le due braccia su uno dei due microtubuli di ogni coppia esterna sono enzimi coinvolti nell'idrolisi dell'ATP. I raggi proteici che collegano ogni coppia alla coppia centrale coordinano i movimenti di trazione dei microtubuli.

Ciglia e flagelli si originano dal corpo basale, costituito da microtubuli; molte cellule eucariote contengono strutture identiche ai corpi basali chiamate centrioli, che hanno il compito di organizzare i microtubuli.