cellula

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L'elemento costitutivo essenziale della vita

Ogni essere vivente è fatto di cellule: alcuni sono costituiti da una sola cellula e sono detti organismi unicellulari, quali l'ameba e i batteri; altri, invece, come i vegetali e gli animali, sono formati da miliardi di cellule con molte specializzazioni e sono detti organismi pluricellulari. Le cellule, pur nella loro straordinaria varietà, hanno alcune proprietà comuni: sono unità delimitate dalla membrana, un sottilissimo involucro, interagiscono con l'ambiente, contengono informazioni genetiche. Esistono due tipi principali di cellule: le cellule eucariotiche, che possiedono un nucleo contenente il DNA che porta l'informazione ereditaria e quelle che non hanno un nucleo vero e proprio, chiamate cellule procariotiche, caratteristiche dei batteri

Cellule e organismi

Le cellule sono come i mattoncini del Lego^®, sono cioè i mattoni con cui sono costruiti tutti gli organismi viventi. Tuttavia le cellule, a differenza dei mattoni, non sono statiche né tutte uguali fra loro. Le cellule sono in continua attività e svolgono molte funzioni nello stesso istante. Ogni nostra singola cellula può essere immaginata come una macchina complessa ‒ diciamo un aereo, un jumbo jet ‒ costituita da milioni di parti miniaturizzate. Per vedere le cellule, infatti, sono necessari potenti microscopi. Per esempio, la membrana cellulare che avvolge ogni singola cellula è sottilissima: se sovrapponessimo 8.000 di queste membrane, otterremmo uno spessore pari a quello di una pagina di questo libro! Inoltre, le cellule sono soggette a velocissimo ricambio: così ogni secondo produciamo circa 2 milioni di cellule del sangue, i globuli rossi, e ne eliminiamo pressappoco altrettante.

Tutti i viventi sono fatti di cellule. Alcuni come l'ameba e i batteri consistono in una sola cellula, sono cioè organismi unicellulari: una cellula = un individuo. Mentre all'altro estremo, nei vegetali e negli animali, un singolo organismo può essere formato da miliardi di cellule. Il nostro corpo, per esempio, è una società cooperativa di migliaia di miliardi di cellule con molti tipi di specializzazioni.

Le cellule hanno dimensioni e forme diverse in base alla loro specializzazione. Una singola cellula nervosa del corpo umano può avere sottilissimi prolungamenti lunghi sino a un metro. Le dimensioni lineari delle cellule sono comunque microscopiche: da un millesimo di millimetro di un batterio, a 20 millesimi di millimetro di una media cellula animale. Le dimensioni di una cellula non sono però legate a quelle dell'essere vivente da loro formato: le cellule di una balena hanno infatti all'incirca le stesse dimensioni di quelle di un topo.

Si possono raggruppare e classificare gli organismi viventi proprio in base al tipo di cellule da cui sono formati. Esistono due tipi principali di cellule: quelle eucariotiche, che possiedono un nucleo contenente il DNA con l'informazione ereditaria, e quelle procariotiche, che non presentano un nucleo vero e proprio, pur possedendo anche loro il DNA: queste ultime caratterizzano il grande gruppo dei batteri.

Gli organismi viventi formati da cellule eucariotiche si chiamano eucarioti, quelli con cellule procariotiche si chiamano procarioti. Con l'esclusione dei batteri, tutti gli organismi viventi sono eucarioti. I virus, che non sono costituiti da cellule, possiedono molte proprietà della materia vivente, ma dipendono per riprodursi dalle cellule di altri organismi. Possiamo allora considerarli come parassiti.

L'organizzazione delle cellule eucariotiche

A differenza di quelle dei procarioti, le cellule degli eucarioti sono 'fabbriche' divise in reparti ben organizzati. Possiedono cioè un nucleo e organuli ‒ molti avvolti da una membrana ‒, immersi in un mezzo fluido semisolido che riempie tutta la cellula, il citoplasma. Anche se può apparire un liquido inerte, perché costituito in gran parte di acqua, il citoplasma contiene in realtà un enorme numero di microstrutture responsabili della funzionalità della cellula. Quasi nessuna molecola, forse neppure l'acqua, è libera di spostarsi dove vuole all'interno del citoplasma: molte molecole restano immobili perché si trovano a far parte di strutture semisolide del citoplasma e quasi tutte hanno capacità di movimento limitate.

I diversi organuli si sono adattati, nel corso dell'evoluzione, a svolgere specifiche funzioni e la maggior parte di loro si ritrova in tutte le cellule eucariotiche.

Dentro e fuori

La cellula è un 'sacchetto' di materia organica semifluida, isolata dall'ambiente circostante e pur tuttavia in comunicazione con questo. L'involucro di tale sacchetto è la membrana cellulare, che consente la comunicazione fra il 'dentro' e il 'fuori'. La membrana seleziona in ogni caso ciò che può e ciò che non può passare e molte volte partecipa attivamente a queste operazioni di trasferimento di molecole, verso l'interno o verso l'esterno della cellula, consumando energia. Il risultato di questa attività è che molte sostanze si trovano solo dentro o solo fuori la cellula, oppure hanno concentrazioni assai diverse all'interno e all'esterno. Anche l'acqua, l'umile ma fondamentale costituente della materia vivente, entra e esce dalla cellula in maniera strettamente controllata. Troppa acqua farebbe scoppiare la cellula, troppo poca la farebbe afflosciare. La cellula, attraverso la sua membrana, riceve continuamente segnali di vario tipo dalle altre cellule e dal mondo circostante.

Come è fatta la membrana

La membrana è composta di alcuni grassi, che si dispongono in doppio strato a costituire la parte esterna della cellula. L'organizzazione dei grassi della membrana è tale da agire come un sistema fluido, cioè mobile, ma insieme stabile. Questo doppio strato è attraversato da un gran numero di molecole, prevalentemente proteine, che permettono le sue funzioni selettive grazie a canali, pompe e recettori molecolari.

Un canale è un piccolissimo foro che attraversa il doppio strato della membrana e la cui apertura è rigidamente controllata. Nel caso in cui il passaggio richieda energia, altri complessi proteici associati alla membrana fungono da pompe. Sono invece chiamati recettori quelle proteine che, con la parte che sporge all'esterno della cellula, sono capaci di riconoscere e legare solo una determinata molecola-segnale. Quando avviene questo legame specifico, il recettore si trasforma e con la sua parte che sporge all'interno informa la cellula in modo che essa possa rispondere al segnale in maniera adeguata. I recettori svolgono quindi un ruolo fondamentale.

Qualche volta la membrana entra 'in ebollizione'. Alcune sue regioni si richiudono su sé stesse, formano una sorta di bolla e si distaccano dal resto della membrana per portarsi all'interno della cellula o al suo esterno, trasportando con sé quantità più o meno rilevanti di materiale biologico, che viene così importato (endocitosi) o esportato all'esterno (esocitosi). Attraverso questo meccanismo la cellula rilascia o acquisisce quantità anche rilevanti di materia e certi tipi di cellule possono 'mangiare' parti di cellule, mentre altri intere cellule, un processo questo chiamato fagocitosi. Viceversa, le cellule ghiandolari possono esportare nel sangue o all'esterno grandi quantità di materiale.

Nucleo e controllo genetico

Più o meno al centro della cellula eucariotica si trova una struttura rotondeggiante, il nucleo cellulare. Il nucleo è circondato da una membrana, ma comunica con il citoplasma attraverso i canali. Il nucleo contiene il DNA in forma di lunghissimi bastoncelli, i cromosomi, che portano l'informazione genetica (gene e genoma). Il numero e la forma dei cromosomi dipendono dalla specie: per esempio, ogni cellula del corpo umano ne contiene 46.

Una cellula priva del suo nucleo non è capace di riprodursi e di rispondere adeguatamente a gran parte delle sollecitazioni ambientali, anche se può sopravvivere per qualche tempo. Per compiere la maggior parte delle sue funzioni, la cellula ha bisogno di consultare continuamente il proprio patrimonio genetico, custodito appunto nel suo nucleo.

La Venezia della cellula

Il citoplasma è percorso, come una microscopica laguna di Venezia, da un labirinto di canali delimitati dalle membrane interne. Questo labirinto, molto organizzato e ben diviso in parti in comunicazione tra loro si chiama reticolo endoplasmatico. Questo, a sua volta, si distingue in reticolo granulare e reticolo liscio. Il primo è fatto da membrane su cui poggiano i ribosomi, corpuscoli su cui avviene la sintesi delle proteine, l'altro da membrane che delimitano uno spazio interno. Una parte del reticolo liscio è specializzata nella produzione di grassi, mentre un'altra parte fa sì che le proteine di nuova produzione vengano riversate nelle cavità e di qui impacchettate in vescicolette. I due tipi di reticolo sono connessi a un altro sistema di membrane, l'apparato di Golgi, che completa la maturazione dei prodotti della cellula e li 'etichetta', dando loro la destinazione finale, a seconda del prodotto: al nucleo, per i mitocondri (vedi oltre), per la fuoriuscita dalla cellula attraverso la membrana, e così via.

La cellula possiede poi alcune piccole vescicole, chiamate lisosomi, che demoliscono le molecole indesiderate, perché estranee o non funzionanti. Anche i materiali, assunti dalla cellula con l'endocitosi, vengono digeriti grazie ai lisosomi.

Gli organuli della conversione dell'energia

La produzione dell'energia nella cellula avviene in organuli molto specializzati, i mitocondri e i cloroplasti. Questi ultimi, contenenti la clorofilla, si trovano soltanto nelle cellule vegetali e nelle alghe verdi e sono la sede della fotosintesi clorofilliana, quel processo tipico delle piante che permette loro di utilizzare l'energia luminosa per produrre materia organica a partire dall'acqua e dall'anidride carbonica presente nell'aria. I mitocondri sono presenti invece in tutte le cellule animali e vegetali e rappresentano le centrali energetiche della cellula. In ciascuno di essi si produce e si conserva l'energia ottenuta dal metabolismo del cibo e dalla respirazione.

Forma e movimento

Ogni cellula è internamente sostenuta da una rete fittissima di filamenti di vario spessore e composizione. Questa rete costituisce il citoscheletro, che ha funzioni molteplici a seconda della specializzazione e del momento del ciclo cellulare. Il citoscheletro fornisce un sistema di rinforzo e di sostegno che, ancorando la membrana cellulare, collabora a dare forma alla cellula. In molte cellule collabora attivamente al movimento, attraverso prolungamenti cellulari che permettono alla cellula di muoversi 'gattonando'. Inoltre, il citoscheletro fa incessantemente muovere gli organuli interni e, quando la cellula si divide, modifica il nucleo, muove i cromosomi, separa le cellule in formazione.

La riproduzione cellulare

Non c'è vita senza riproduzione. Un organismo unicellulare si riproduce abbastanza di frequente e la sua riproduzione coincide con la duplicazione della singola cellula di cui è costituito. In un organismo pluricellulare, la riproduzione è un fenomeno più complesso e può richiedere anni di preparazione. Non c'è dubbio però che per riprodursi, e ancor prima per vivere, ogni organismo ha bisogno che le cellule di cui è costituito si duplichino, frequentemente o di tanto in tanto. La duplicazione cellulare è quindi un evento fondamentale per ogni tipo di organismo che, per questo, è strettamente controllato e regolato.

La duplicazione ordinaria delle cellule eucariotiche prende il nome di mitosi. La duplicazione cellulare e il suo controllo si inseriscono in un programma, detto ciclo cellulare. La duplicazione è un evento relativamente rapido e tumultuoso che investe ogni costituente della cellula madre, ma che viene preparato da un gran numero di eventi cellulari molto meno evidenti. Le cellule figlie devono contenere l'intero corredo di molecole, di microstrutture e di organuli che possiede la cellula madre, e il suo stesso patrimonio genetico. Anche quest'ultimo, quindi, deve duplicarsi e ciò avviene in una fase precedente alla divisione cellulare vera e propria. Quando è tutto pronto e la duplicazione comincia, si osserva prima la dissoluzione dell'involucro nucleare con la conseguente divisione in due dei cromosomi che portano il patrimonio genetico, i due gruppi cromosomi, che finiranno nelle due future cellule figlie si distanziano e si portano ai poli estremi della cellula madre; a questo punto la membrana cellulare si rompe e si formano le due cellule figlie, circondate ciascuna da una propria nuova membrana. L'ultimo atto è rappresentato dalla formazione dei due nuclei cellulari nelle due cellule figlie.

Le cellule di un organismo che si sta sviluppando, crescendo dovranno dividersi più spesso, mentre la maggior parte di quelle di un adulto avranno un ritmo di divisione più lento. Nella maggior parte dei casi la singola cellula riceve dall'esterno l'ordine di iniziare a dividersi o, viceversa, quello di smettere di dividersi. Quando questi segnali molecolari non sono distintamente percepiti dalla cellula si può innescare quella proliferazione disordinata che dà luogo ai tumori. La posta in gioco nel controllo della duplicazione cellulare è quindi molto alta!

Identikit della cellula procariotica

I procarioti costituiscono la parte più cospicua della massa vivente presente sulla Terra, nonostante siano organismi unicellulari piccolissimi: meno di 1/20 di una cellula eucariotica. Sono le cellule più antiche: apparvero infatti sulla Terra oltre 3,5 miliardi di anni fa. A differenza delle cellule eucariotiche, le procariotiche sono prive di organuli. Non essendo presente un nucleo, il DNA dei procarioti è una sorta di matassina (nucleoide) immersa direttamente nel citoplasma della cellula. In questo modo la cellula dei procarioti è come una microscopica fabbrica aperta. Nel suo citoplasma vengono costruite le proteine sulla base delle informazioni contenute nel DNA. Attorno alla membrana, i procarioti possiedono una parete piuttosto rigida, che protegge e dà forma alla cellula. In alcuni c'è un altro involucro rigido ancora più esterno, la capsula. Parecchi procarioti hanno sottili estensioni esterne - i pili - che permettono di aderire alle superfici. I flagelli di alcuni tipi di procarioti servono al movimento cellulare in un ambiente liquido.

Perché ci interessiamo tanto della biologia dei procarioti? Le risposte sono varie e tutte molto importanti. Per prima cosa capire le funzioni dei procarioti aiuta enormemente lo studio delle cellule degli organismi più complessi. Inoltre i batteri hanno un ruolo essenziale, sia per catturare energia libera (per esempio la luce solare), sia per trasformare sostanze inorganiche in composti adatti per gli esseri viventi, sia per rimettere in ciclo materiali che derivano da altri organismi.Terzo motivo è che i procarioti sono delle straordinarie 'fabbriche' per produrre molecole biologiche e costituiscono la base delle biotecnologie, sia di quelle antiche (per fare il vino o il pane), sia di quelle moderne (per produrre molecole di interesse farmaceutico). Infine molti procarioti possono essere pericolosi agenti di malattie: perciò conoscerli vuol dire poterli combattere.

L'origine della cellula eucariotica

C'è qualche relazione tra procarioti ed eucarioti? Secondo alcune teorie molto accreditate, la cellula eucariotica sarebbe comparsa sulla Terra alcune centinaia di milioni d'anni fa, grazie a una forma di coabitazione - simbiosi - permanente fra organismi appartenenti a forme diverse. Microrganismi procarioti originariamente autonomi, capaci di respirazione e fotosintesi, sarebbero stati imprigionati da altri microrganismi ospiti, dando origine rispettivamente ai mitocondri e ai cloroplasti. Il tipo di cellula che li catturò era capace di attiva fagocitosi e aveva segregato con un involucro nucleare di membrane il suo DNA. Questi organismi, trasformati in mitocondri e cloroplasti, persero così la loro libertà, ma guadagnarono da questa prigionia in protezione e nutrimento. La simbiosi sarebbe perciò diventata un evento irreversibile. Come risultato di questa storia evolutiva, sia i mitocondri sia i cloroplasti delle piante sono limitati da due membrane – a ricordo dell'antico processo di fagocitosi – e mantengono un proprio DNA, organizzato in un piccolo cromosoma circolare. Questi organuli, avendo perso alcune delle originarie informazioni genetiche, dipendono ormai, per la maggioranza delle proteine loro necessarie, dall'attività dell'intera cellula.

La teoria simbiotica della cellula eucariotica risale all'inizio del secolo scorso, ma fu la biologa Lynn Margulis a conferirle vigore verso il 1980. La biologia molecolare più recente ha confermato molte delle sue ipotesi.