La cellula eucariota

La cellula eucariota

Struttura d'insieme

Le cellule eucariote sono caratterizzate dalla presenza di un nucleo ben formato, circondato da una doppia membrana e si distinguono da quelle procariote per la loro struttura più complessa e per le maggiori dimensioni e, soprattutto, per la presenza in esse di organelli cellulari come i mitocondri, il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi, ognuno dei quali svolge una precisa funzione nell'economia della cellula.

Esaminiamo ora in dettaglio le diverse e multiformi strutture che possono comporre le cellule eucariote.

La membrana cellulare  

La membrana cellulare circonda tutte le cellule e separa l'ambiente interno cellulare da quello esterno; essa regola il flusso di sostanze verso l'interno e l'esterno della cellula. La membrana cellulare, chiamata anche plasmatica, è composta da lipidi e proteine. I lipidi di membrana appartengono alla classe dei fosfolipidi e degli sfingolipidi, particolari molecole di grassi composte da una parte polare idrofila solubile in acqua detta 'testa', e da una parte non polare idrofoba insolubile in acqua detta 'coda'; la duplice natura di questi lipidi è molto importante nella struttura delle membrane biologiche: le 'teste' polari infatti hanno affinità per l'acqua, e si dispongono orientandosi verso di essa, mentre le 'code' idrofobe la evitano. Si forma così il doppio strato di lipidi con le teste idrofile rivolte verso l'esterno, cioè verso le fasi acquose adiacenti alle superfici del doppio strato, e le code idrofobe verso l'interno, ossia l'una verso l'altra.

Sono proprio le code idrofobe dei fosfolipidi a rendere la membrana poco permeabile, così da rappresentare una barriera attraverso la quale possono passare selettivamente solo certe sostanze: alcune possono solo entrare nella cellula, altre possono solo uscire, mentre altre ancora non possono attraversarla in nessuna direzione; infine vi sono molecole come l'acqua che attraversano la membrana citoplasmatica in entrambe le direzioni. Immerse nel doppio strato lipidico è possibile individuare diverse proteine; queste fanno parte della struttura molecolare della membrana cellulare e, tra le loro varie funzioni, regolano lo scambio tra l'ambiente intracellulare e quello extracellulare di sostanze quali gli ioni (Na+, K+, Ca++, Cl-) che senza di esse non potrebbero attraversare la membrana.

Particolari modalità per attraversare la membrana

In alcuni casi le membrane cellulari possono trasferire piccole quantità di materiale all'interno o all'esterno della cellula. Nel primo caso la superficie esterna della membrana cellulare forma una piccola depressione nella quale si depone il materiale che verrà incorporato dalla cellula; la depressione diventa sempre più profonda fino a quando la membrana si stacca e forma una vescicola all'interno della cellula: questo processo viene denominato pinocitosi, se il materiale catturato è liquido, fagocitosi se il materiale è solido ed è utilizzato come sistema di alimentazione dagli eucarioti unicellulari (per esempio i protozoi) oppure come meccanismo di difesa (per esempio contro i batteri) da alcune cellule del sistema immunitario dei mammiferi.

Diversamente l'eliminazione delle sostanze dalla cellula si chiama esocitosi. Essa ha un ruolo molto importante nella trasmissione dell'impulso nervoso: le terminazioni delle cellule nervose sono ricche di vescicole contenenti particolari sostanze, i neurotrasmettitori. Questi vengono rilasciati tramite esocitosi all'esterno della cellula dove interagiscono con altre terminazioni trasmettendo così l'impulso da una cellula all'altra. Meccanismi dello stesso tipo sono coinvolti nella secrezione degli ormoni.

Il nucleo

Il nucleo è una struttura sferoidale che si trova all'interno della cellula, immersa nel citoplasma. Nelle cellule animali e in quelle vegetali il nucleo è circondato da un involucro nucleare composto da una doppia membrana interrotta da aperture, dette pori nucleari, che permettono il passaggio delle sostanze tra il nucleo e il citoplasma.

All'interno del nucleo si distingue il nucleolo, la 'fabbrica' dell'RNA, individuabile nei preparati istologici per la sua colorazione più intensa dovuta all'alto contenuto di acido ribonucleico (RNA) e proteine. La parte restante del nucleo è occupata dalla cromatina costituita prevalentemente da acido desossiribonucleico (DNA), ma anche da RNA e proteine. Durante la divisione cellulare, la mitosi, la cromatina si organizza in strutture che vengono chiamate cromosomi. Il numero di cromosomi è diverso in ogni specie animale e vegetale: per esempio nelle cellule umane ve ne sono 46.

Quando la divisione della cellula madre nelle due cellule figlie è terminata, i cromosomi perdono compattezza e la cromatina torna nel suo stato disperso.

Grazie alla presenza dei cromosomi che contengono i geni, il nucleo rappresenta il centro di controllo di tutte le attività cellulari, senza alcuna eccezione.

I mitocondri

I mitocondri sono organelli cellulari presenti nel citoplasma delle cellule eucariote; essi svolgono una funzione molto importante: sono la sede della respirazione cellulare. Queste strutture cellulari hanno la forma di chicco di grano leggermente allungata, del diametro di circa 1 µm; il loro numero varia nei diversi tipi di cellula. Al microscopio elettronico appaiono circondati da una sottile membrana esterna, mentre al loro interno si trova un'altra membrana strettamente ripiegata che forma alcune pliche, dette creste mitocondriali: esse costituiscono la sede degli enzimi responsabili delle reazioni respiratorie. Le creste mitocondriali sono immerse in una sostanza ricca di enzimi e molto densa, simile a un gel, chiamata matrice.

I mitocondri sono sede di importanti reazioni chimiche che rendono disponibile per la cellula l'energia immagazzinata nelle sostanze organiche nutritive. La grande quantità di energia liberata da queste reazioni viene immagazzinata in un'importante molecola biologica, l'adenosin-trifosfato (ATP), un nucleotide essenziale per il trasporto dell'energia in tutti i compartimenti della cellula e per diverse reazioni del metabolismo cellulare.

Il reticolo endoplasmatico

È costituito da un insieme di canali, la cui parete è formata da sottili membrane lipidiche, che creano una sorta di intricato labirinto all'interno del citoplasma.

Questi canali, chiamati cisterne, trasportano le sostanze prodotte dalla cellula nei diversicompartimenti cellulari o verso la superficie esterna. Si conoscono due tipi di reticolo endoplasmatico: quello liscio e quello ruvido. Nel reticolo endoplasmatico ruvido la superficie delle membrane è cosparsa di ribosomi, mentre in quello liscio ne è priva. La presenza di ribosomi nel reticolo endoplasmatico ruvido indica la sede nella quale vengono sintetizzate le proteine successivamente conservate oppure trasportate all'esterno della cellula.

L'apparato di Golgi

È un complesso di vescicole appiattite, ognuna circondata da una singola membrana, impilate tra loro. L'apparato di Golgi deve il suo nome al medico italiano Camillo Golgi che per primo lo descrisse alla fine del XIX secolo. Esso è la sede cellulare dove vengono elaborati i prodotti sintetizzati nel reticolo endoplasmatico e immagazzinati in piccole vescicole secretorie a loro volta trasportate fino alla superficie interna della membrana citoplasmatica. Quando queste piccole vescicole entrano in contatto con la membrana citoplasmatica, si fondono con essa scaricando il loro contenuto all'esterno della cellula; questo processo è chiamato esocitosi ed è il meccanismo attraverso il quale le cellule liberano le sostanze da loro prodotte.

I ribosomi

I ribosomi sono corpiccioli cellulari di dimensioni microscopiche, visibili solo al microscopio elettronico, nei quali avviene la sintesi delle proteine. Il nome deriva dalla loro costituzione: sono infatti formati per lo più da acido ribonucleico (RNA) anche se contengono delle proteine. I ribosomi hanno origine nel nucleolo del nucleo cellulare; sono presenti nel citoplasma ma la maggior parte di essi si trova legata al reticolo endoplasmatico ruvido.

I lisosomi

I lisosomi sono piccoli corpuscoli, circondati da una membrana, sparsi nel citoplasma della cellula. Essi contengono molti enzimi capaci di degradare prodotti come proteine, lipidi e polisaccaridi che non sono più necessari alla cellula: quando, infatti, questi prodotti devono essere digeriti, vengono trasferiti nei lisosomi nei quali sono degradati in molecole più semplici e restituiti al citoplasma, dove possono essere riciclati dalla cellula. I lisosomi sono quindi essenziali perché con la loro membrana isolano gli enzimi dal materiale cellulare e impediscono di degradare anche le strutture necessarie alla cellula. D'altro lato, è essenziale che nella cellula siano presenti enzimi demolitori, i quali impediscono l'accumulo di sostanze che potrebbero risultare nocive: per fare un esempio, la sindrome di Tay-Sachs, una patologia genetica caratterizzata da ritardo mentale, è indotta dall'assenza di alcuni enzimi capaci di degradare certi lipidi che così si accumulano dannosamente nelle cellule del cervello.

I microfilamenti

Il microscopio ad alta risoluzione ha mostrato che nel citoplasma di molte cellule eucariote vi sono dei microfilamenti formati da molecole proteiche. Queste strutture sono vicine alla membrana citoplasmatica e ne permettono l'estensione. Nelle cellule del muscolo si trovano i filamenti di actina e miosina che sono componenti del sistema contrattile della muscolatura scheletrica.

I microtubuli

Sono molecole proteiche che formano dei fasci a sostegno della cellula. Essi partecipano alla formazione del fuso mitotico durante la divisione operata dalla cellula nella mitosi.

In molte cellule eucariote, differenti tipi di microfilamenti e microtubuli formano una struttura elastica chiamata citoscheletro, che conferisce ai diversi tipi cellulari la loro caratteristica forma.

Le ciglia e i flagelli

Le ciglia e i flagelli, appendici delle cellule, sono le strutture motorie degli organismi eucarioti unicellulari ma si trovano anche in alcune cellule animali. Per esempio gli spermatozoi, le cellule germinali maschili, possiedono un flagello che permette loro di muoversi all'interno dell'apparato di riproduzione femminile e di raggiungere quindi la cellula uovo per fecondarla. La capacità di movimento delle ciglia e dei flagelli è dovuta alla loro azione propulsiva, che meglio si esercita negli umori propri degli organismi viventi. Tale meccanismo è adottato da molte forme di vita.

Le cellule delle piante

Le cellule eucariote delle piante superiori differiscono da quelle animali per alcune caratteristiche. Principalmente si differenziano per la presenza di organelli specializzati chiamati cloroplasti, che rappresentano la fonte di energia di queste cellule come i mitocondri lo sono per le cellule animali. I cloroplasti infatti assorbono l'energia della luce del sole e la trasformano in sostanze nutritive, mentre i mitocondri utilizzano l'energia chimica delle molecole di nutrimento. I cloroplasti usano l'energia luminosa per trasformare l'anidride carbonica in carboidrati come l'amido, questa reazione avviene con la liberazione di ossigeno molecolare (O2

Il processo sopra descritto viene denominato fotosintesi: essa avviene solo durante le ore di luce, mentre durante le ore di buio i cloroplasti delle cellule vegetali provvedono a fornire l'energia necessaria utilizzando i nutrimenti prodotti dalla fotosintesi. I cloroplasti contengono la clorofilla, una sostanza colorata (pigmento) che conferisce alle piante il caratteristico colore verde; sono proprio i pigmenti di clorofilla ad assorbire la luce solare e a permettere quindi la fotosintesi.

Le cellule delle piante si distinguono ulteriormente da quelle animali per la presenza della parete cellulare, all'esterno della membrana plasmatica, composta da numerose fibre di cellulosa incollate insieme; questa struttura ha lo scopo di proteggere la cellula. Nel tronco degli alberi le cellule sono rivestite da una seconda parete esterna che permette di sopportare grandi pesi.

La parete cellulare è soggetta ad alcune modificazioni, una delle quali è il deposito di callosio, sostanza chimica non molto nota, che al momento opportuno regola alcune funzioni della cellula.

I tessuti

Nelle piante e negli animali superiori le cellule simili per struttura e funzione sono organizzate in tessuti. Diversi tessuti concorrono a formare un organo, che adempie a precise funzioni all'interno di un organismo.