La cellula: struttura, metabolismo e riproduzione, appunti universitari

Concetti Fondamentali della Cellula

Come avrete ormai chiaro, i concetti fondamentali sono:

1. Tutti gli organismi sono composti di una o più cellule, da cui la distinzione fra Unicellulari e Pluricellulari
2. Le cellule sono di tre tipi diversi:
   • Procariota, esclusiva dei Batteri o Monere, la più semplice, la prima ad essere comparsa sulla Terra circa 3,5mld di aa fa, non si sa ancora in che modo probabilmente come spiegato dalla Teoria del brodo primordiale
   • Eucariota animale, comparsa dopo circa 2 mld di aa, forse per endosimbiosi come quella vegetale. Forma il corpo di tutti gli organismi Eucarioti Eterotrofi, quindi i Protozoi unicellulari, i Funghi e gli Animali.
   • Eucariota vegetale, si differenzia da quella animale per tre strutture specifiche. Forma il corpo di tutti gli organismi Eucarioti Autotrofi, quindi le Alghe unicellulari e le Piante.

Scoperta e Teoria Cellulare

Lo scienziato che scoprì le cellule fu R.Hooke, alla fine del 1600, dopo aver costruito il primo microscopio della storia della Scienza. Le chiamò così perché gli ricordavano le piccole camere o celle dei monaci (in Latino cellula = piccola cella). Seguirono una lunga serie di osservazioni da parte di numerosi biologi, con strumenti più sofisticati, di ogni genere di organismi, finché nel 1800 fu definita la Teoria Cellulare, secondo la quale:

1. la cellula è la più piccola struttura vivente, in grado, cioè, di svolgere tutte le funzioni fondamentali per la vita degli organismi;
2. tutti viventi sono formati da uno o più cellule;
3. ogni cellula ha origine da un'altra cellula (importante passo avanti rispetto alle teorie precedenti)

Dimensioni e Forma delle Cellule

L'ordine di grandezza per il diametro delle cellule è il micron (vedi fig.4 pag.45). Non potrebbero avere dimensioni maggiori, perché la superficie non sarebbe abbastanza estesa per fornire tutte le sostanze necessarie al volume interno (elevato rapporto S/V, vedi fig.5 pag.45).

È importante anche sottolineare che le dimensioni delle cellule sono pressoché le stesse in tutti gli organismi pluricellulari; per esempio se mettiamo a confronto unelefante e una zanzara ciò che cambia è il numero di cellule, non le loro dimensioni.

Le cellule non sono tutte uguali, ma possono avere forme diverse in base alla funzione che devono svolgere, per esempio si nota subito la differenza tra le cellule dell'epidemia umana e quelle del tessuto nervoso (pagina 44 figura 3).

Indipendentemente dalla loro forma tutte le cellule hanno in comune tre caratteristiche: la membrana plasmatica; il citoplasma e il materiale genetico o DNA.

Struttura della Cellula Procariota

La cellula procariota, essendo la più semplice, contiene solo le strutture essenziali per la vita:

• la membrana plasmatica, chiamata così perché circonda l'interno chiamato citoplasma. Ha la funzione di contenere, delimitare, ma soprattutto regolare gli scambi di sostanze fra l'ambiente esterno e l'interno (sostanze nutritive in entrata, sostanze di rifiuto del metabolismo in uscita). Questa funzione è determinata dalla sua struttura: doppio strato di fosfolipidi (testa idrofila/code idrofobe) e proteine che funzionano in parte da recettori, in parte da canali per il passaggio di sostanze idrofile o di dimensioni maggiori di altre. La membrana cellulare controlla, quindi, il passaggio delle sostanze che la attraversano facendone passare alcune ma non altre. Per questo si dice che è selettivamente permeabile. Solo le molecole apolari di piccole dimensioni (O2, CO2) e alcune molecole polari (come l'acqua e l'etanolo) possono attraversare spontaneamente la membrana, mentre quelle più grandi, come il glucosio, gli aminoacidi e gli ioni passano attraverso un trasporto mediato da proteine specifiche. Il trasporto attraverso la membrana può essere un trasporto passivo (se NON richiede energia come nella diffusione o nell'osmosi - vado dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata) o un trasporto attivo (se richiede energia, servono dei trasportatori - vado dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata).
• il citoplasma, ovvero il plasma della cellula, fluido molto denso contenente una soluzione acquosa di sali, gas e biomolecole (il citosol), in cui si svolge il metabolismo.
• la molecola circolare di DNA (chiamato anche nucleoide), che contiene leinformazioni (i geni) per sintetizzare le proteine specifiche della cellula, in particolare quelle strutturali che ne determinano la forma e la consistenza, e quelle enzimatiche (gli enzimi) che permettono lo svolgimento delle specifiche reazioni chimiche che devono avvenire in quella cellula, ovvero il suo metabolismo.
• i ribosomi, piccoli corpi composti di rRNA (RNA ribosomiale), all'interno dei quali si svolge la sintesi delle proteine, dopo che un altro tipo di RNA (mRNA ovvero RNA messaggero) ha copiato le istruzioni scritte sul DNA. Sono tondeggianti e formati da due subunità di dimensioni diverse. Sono privi di membrana.

Involucri e Appendici della Cellula Procariota

Oltre a queste strutture, che si trovano anche nelle cellule eucariote, un Batterio presenta, all'esterno della membrana plasmatica, altri due involucri che lo proteggono: la parete e la capsula, a volte provvista di pili o flagelli per il movimento. La parete cellulare è una struttura rigida che fornisce protezione meccanica e determina la forma della cellula, mentre la capsula gelatinosa protegge la cellula dall'essiccazione e, nel caso di batteri patogeni, dall'azione di alcuni antibiotici, consentendo inoltre l'aggregazione delle cellule in colonie. I flagelli, invece, sono lunghi prolungamenti non distribuiti su tutta la superficie che consentono gli spostamenti della cellula, mentre i pili sono più corti e simili a ciglia distribuiti su tutta la superficie, permettono alla cellula di aderire ai substrati o ad altre cellule. Quindi la vita dei Batteri è molto semplice: alla nascita ricevono il DNA già completo, sintetizzano le proteine con i ribosomi, svolgono nel citoplasma il metabolismo (ovvero la vita della cellula), trasformando le sostanze che si trovano nell'ambiente, dopo averle riconosciute tramite i recettori e averne permesso l'entrata attraverso la membrana plasmatica, grazie alla quale espellono poi le sostanze di rifiuto. (pag. 49 figura 9)

La Cellula Eucariota Animale

La cellula eucariota animale è più complessa, quindi:

• nel caso degli unicellulari permette lo svolgimento di funzioni più complesse
• nel caso dei pluricellulari ha portato al differenziamento cellulare, ovvero la formazione di cellule con forma e funzioni diverse, quindi tessuti, organi, sistemi.

Differenze con la Cellula Procariota

Le differenze fondamentali rispetto alla procariota sono:

• contiene tante molecole di DNA (un maggior numero di informazioni), che sono racchiuse in una sferetta centrale, il nucleo, delimitato dalla membrana nucleare, provvista di pori per il passaggio rapido dell'RNA
• è organizzata in compartimenti, gli organuli citoplasmatici, delimitati da membrane simili a quella plasmatica, i quali contengono enzimi per lo svolgimento di specifici processi chimici, quindi ogni tipo di organulo svolge una specifica parte del metabolismo cellulare, ovvero ha una propria funzione.

Se si è capito questo, basta soffermarsi su quali sono le funzioni che si devono svolgere in una cellula eucariota, e associare la funzione al nome dell'organulo in cui si svolge.

Organuli e Loro Funzioni

membrana plasmatica - (funzione già descritta per la cellula procariota) citoplasma - (funzione già descritta per la cellula procariota) nucleo - contiene le molecole di DNA (funzione già descritta per la cellula procariota). Aggiungiamo solo che nel nucleo, il DNA si presenta come un insieme di filamenti, la cromatina (DNA in forma disorganizzata); quando la cellula deve riprodursi, la cromatina assume la forma di strutture a bastoncino, i cromosomi (DNA in forma organizzata).

ribosomi - (funzione già descritta per la cellula procariota)

reticolo endoplasmatico: È un insieme di Canali e cisterne membranose che comunicano tra loro e con la membrana nucleare. Si divide in due parti: 1. reticolo endoplasmatico ruvido (RER) - sintesi delle proteine: le sue membrane sono a contatto con la membrana nucleare, quindi ricevono direttamente l'mRNA; i ribosomi legati alle membrane, che conferiscono l'aspetto ruvido, provvedono alla sintesi, unendo nella giusta sequenza gli amminoacidi assorbiti; le proteine vengono poi smistate agli altri organuli, in base alla specifica funzione

2. reticolo endoplasmatico liscio (REL) - sintesi dei lipidi: le sue membrane ricevono i monomeri e (con gli enzimi specifici) sintetizzano i diversi lipidi, che vengono poi smistati agli altri organuli, in base alla specifica funzione. Ha inoltre la funzione di neutralizzare le sostanze tossiche per la cellula (come l'etanolo presente nelle bevande alcoliche). Viene definito liscio perché privo di ribosomi sulla superficie

mitocondri - produzione di ATP, la molecola che cattura l'energia chimica liberata dalla demolizione dei monomeri (monosaccaridi, principalmente glucosio, e acidi grassi). Ecco perché questi organuli vengono chiamati "centrali energetiche cellulari". L'ATP poi esce e verrà utilizzato in tutti i luoghi dove avvengono reazioni chimiche, che necessitano di energia chimica per avvenire. I mitocondri sono delimitati da due membrane: quella esterna liscia e con funzione protettiva che favorisce gli scambi con il citosol e quella interna ripiegata più volte a formare delle creste per aumentare la superficie e sulle quali ci sono una parte degli enzimi necessari alla respirazione cellulare. All'interno è presente una matrice, cioè una sostanza fluida nella quale si trovano, oltre ad altri enzimi, il DNA mitocondriale e tutti i tipi di RNA. I mitocondri sono quindi in grado di provvedere in modo autonomo alla loro riproduzione e alla sintesi di una parte delle loro proteine. Apparato di Golgi - immagazzinamento di sostanze complesse: È composto da un sistema di cisterne (simili a sacchetti) appiattite e impilate l'una sull'altra, non comunicanti tra loro. In esse, le molecole sintetizzate dal reticolo endoplasmatico e trasportate da vescicole, sono immagazzinate, o modificate, per poi essere smistate all'interno della cellula oppure emesse, grazie vescicole che si staccano dall'apparato stesso e si fondono con la membrana plasmatica, riversando il loro contenuto all'esterno (es. cellule delle ghiandole).

lisosomi - digestione di sostanze tossiche oppure di sostanze fagocitate (nutrizione nei Protozoi/eliminazione microbi da parte dei globuli bianchi chiamati Macrofagi)

citoscheletro - sostegno interno e forma della cellula, formato di proteine strutturali

centrioli - riproduzione cellulare

ciglia - appendici corte e numerose che servono, per esempio a muovere l'aria nell'apparato respiratorio e a spingere le particelle estranee verso l'esterno flagelli - appendici isolate e lunghe che consentono il movimento cellulare (protozoi, spermatozoi)

Variazioni Cellulari

I diversi tipi di cellule differiscono per la presenza più o meno abbondante di alcuni organuli (molti mitocondri nelle cellule muscolari, esteso apparato di Golgi nelle cellule delle ghiandole o del tessuto adiposo) e per il tipo di citoscheletro (elastico nelle cellule muscolari o della cute, rigido nelle cellule ossee).