D2 - LA CELLULA - Incontro con le scienze integrate - Zanichelli
1. La cellula eucariote
La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni vitali di un vivente. Essa è l'unità
costitutiva del corpo di qualsiasi vivente, unicellulare o pluricellulare: se unicellulare il corpo è fatto da una sola
cellula, se pluricelluare da più cellule.
Il riconoscimento della cellula, come unità funzionale di tutti gli esseri viventi, risale al 1838, quando due
scienziati tedeschi, Matthias jakob Schleiden (botanico, 1804-1881) e Theodor Schwann (zoologo, 1810-1882),
formularono la teoria cellulare, che nella sua forma moderna può essere espressa nei seguenti punti
fondamentali:
la cellula è l'unità funzionale e strutturale di ogni vivente;
tutti i viventi sono costituiti da un numero più o meno grande di cellule;
ogni cellula proviene necessariamente da un'altra cellula preesistente;
ogni cellula compie le funzioni proprie del vivente, cioè respira, scambia materiali con l'esterno, reagisce agli
stimoli e si riproduce:
tutte le cellule possiedono una membrana plasmatica che le delimita e seleziona le sostanze in entrata e in
uscita.
Questi punti fondamentali sono condivisi da entrambi i tipi di cellule che formano il corpo dei viventi: la cellula
procariote, costitutiva dei comuni batteri e degli archibatteri, e la cellula eucariote, costitutiva di tutti gli altri
organismi non batterici, noi compresi.
La cellula procariote, che misura circa 1 micrometro, ha un diametro circa dieci volte più piccolo di quello della
cellula eucariote, non possiede una membrana nucleare che racchiuda il DNA e quindi manca di un vero e
proprio nucleo. Inoltre, non contiene gli organuli specializzati in compiti diversi che invece troviamo nella cellula
eucariote. La cellula eucariote, che costituisce il corpo degli animali, delle piante e dei funghi, ha dimensioni
estremamente varie. Di solito, le cellule degli animali variano tra i 10 e i 30 micrometri, mentre quelle delle piante
possono raggiungere i 100 micrometri. Le dimensioni delle cellule non dipendono dalle dimensioni
dell'organismo a cui appartengono. Per esempio, il nostro stesso corpo è formato da 100 mila miliardi di cellule
di dimensioni e forma diverse organizzate in insiemi chiamati tessuti.
In genere, per semplicità, le cellule sono rappresentate con una forma regolare cubica o sferica, ma nella realtà
possono avere forme molto particolari in relazione alla funzione che svolgono. Un globulo rosso, per esempio,
assomiglia a un dischetto biconcavo; una cellula nervosa possiede lunghi prolungamenti filamentosi; in una
cellula adiposa quasi tutto lo spazio è occupato da grasso e il nucleo è spinto alla periferia della cellula.I
La cellula eucariote, oltre che per le dimensioni e la forma, si differenzia da quella procariote soprattutto perché
è molto più complessa. Per usare un'analogia, mentre la cellula procariote è come un piccolo laboratorio
costituito da un unico locale, la cellula eucariote, al confronto, assomiglia a un grande stabilimento formato da
molti settori diversi: in alcuni arrivano le materie prime, in altri avvengono i processi produttivi, in altri ancora si
effettua lo stoccaggio e la spedizione dei prodotti finiti.
Come quella procariote, anche la cellula eucariote è delimitata da una sottilissima membrana, la membrana
cellulare, che, al microscopio elettronico, appare come un esile bordo al confine tra l'estemo e l'interno della
cellula. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di fosfolipidi e svolge il ruolo importante di
regolare lo scambio di materiali tra l'ambiente interno alla cellula e l'ambiente esterno in cui la cellula è immersa.
La membrana cellulare costituisce, infatti, una "frontiera" che alcune sostanze valicano facilmente, mentre altre
la attraversano solo mediante particolari meccanismi di trasporto. Inoltre, raccoglie informazioni sull'ambiente
che la circonda e comunica con le altre cellule. Questo permette alla cellula di adattare il proprio comportamento
alle condizioni esterne e di agire in modo coordinato con le altre cellule, una proprietà essenziale per il corretto
sviluppo e funzionamento degli organismi pluricellulari.
La membrana cellulare non deve essere confusa con la parete cellulare che ha una funzione di sostegno e
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quindi una struttura diversa. La parete forma uno strato anche 100 volte più spesso della membrana e le si
sovrappone, rivestendo la cellula dall'esterno. Non svolge un ruolo selettivo, in quanto lascia passare tutte le
sostanze. Manca nelle cellule degli animali, ma si trova in quelle delle piante e dei funghi, oltre che in quelle
batteriche.
Nelle cellule delle piante, la parete cellulare è fatta principalmente di cellulosa, quasi sempre impregnata di
altre sostanze che la induriscono, come la lignina.
Essa forma una vera e propria "scatoletta" rigida e resistente, che tiene in forma e sostiene la cellula. Le piante
"stanno in piedi" senza bisogno di scheletro. perché miliardi di queste "scatoline" di legno sovrapposte e vicine le
une alle altre, anche dopo la morte della cellula formano il legno del tronco.
All'interno delle cellule, sia animali sia vegetali, si trova il citoplasma. una massa gelatinosa composta
prevalentemente di acqua in cui sono disciolte molte sostanze, come proteine, ioni, zuccheri, aminoacidi, e in cui
sono dispersi vari organuli cellulari. Nel citoplasma delle cellule eucariote si trovano migliaia di corpuscoli
costituiti da proteine e RNA, chiamati ribosomi. I ribosomi delle cellule eucariote sono più grossi di quelli
presenti nei batteri ma svolgono la stessa funzione, cioè controllano la produzione delle proteine seguendo le
istruzioni fornite dal DNA.
Il citoplasma, in particolare nelle cellule animali, è attraversato da una sottile impalcatura di tubuli e filamenti
formati da proteine contrattili che possono allungarsi o ridursi, conferendo forma e flessibilità alla cellula, il
citoscheletro, cioè lo scheletro della cellula. Il citoscheletro è responsabile del sostegno meccanico e dei
movimenti della cellula.
2. Gli organuli specializzati della cellula eucariote
A differenza della cellula procariote, la cellula eucariote contiene gli organuli, strutture ben visibili al microscopio
elettronico (alcune anche al microscopio ottico) delimitate da membrane. Ciascun organulo compie una
particolare funzione, essenziale alla vita della cellula.
Gli organuli non sono strutture statiche; cambiano forma e dimensioni e si spostano
di continuo. Cominciamo ora a descriverli a partire dal più importante, il nucleo,
quello che controlla le direttive per tutte le attività delle cellule.
Il nucleo. È di forma tondeggiante e nella cellula animale è posto più o meno al centro, mentre nella cellula
vegetale è spesso addossato alla membrana cellulare. Esso appare nettamente delimitato da una doppia
membrana, la membrana nucleare, che presenta piccole aperture, i pori nucleari, che consentono lo scambio di
sostanze con il citoplasma.
All'interno della membrana nucleare si trova la cromatina, un groviglio di filamenti costituiti da lunghe molecole
di DNA (Acido DeossiriboNucleico) legato a proteine dette istoni.
Quando la cellula si prepara a dividersi in due cellule figlie, la cromatina si addensa e forma dei bastoncini ben
evidenti: i cromosomi. Cromatina e cromosomi sono quindi forme differenti in cui lo stesso DNA si presenta in
fasi diverse della vita della cellula. Nella cromatina il DNA è "disteso" e può più facilmente svolgere le sue
funzioni. Nei cromosomi, invece, il DNA è ripiegato in una struttura molto compatta che può essere facilmente
spostata all'interno della cellula.
Il nucleo è il "centro direzionale" della cellula perché contiene, nel DNA dei cromosomi, le informazioni
necessarie al suo funzionamento.
Il nucleo dirige non solo la vita della cellula, ma anche la sua morte. Talvolta, in risposta a certi segnali esterni, la
cellula si riduce in frammenti e muore, realizzando così la morte cellulare programmata dal nucleo, denominata
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apoptosi.
L'apoptosi permette agli organismi pluricellulari di eliminare le cellule malfunzionanti, come per esempio le
cellule tumorali o quelle generate in eccesso. È particolarmente importante nel corso dello sviluppo, in quanto
contribuisce al raggiungimento della struttura corporea adulta. Difetti nel processo di apoptosi possono avere
gravi conseguenze per l'organismo. Nelle piante è l'apoptosi delle cellule del picciolo che fa cadere le foglie
d'autunno.
Il nucleo contiene anche uno o più corpiccioli rotondeggianti denominati nucleoli, ricchi di RNA che serve a
fabbricare i ribosomi.
I mitocondri. Sono organuli a forma di fagiolo e delimitati da una doppia membrana. Essi dispensano energia
alla cellula, tanto che potremmo considerarli come delle "centrali energetiche". Grazie ai mitocondri la cellula
respira, cioè utilizza l'ossigeno introdotto dall'esterno per bruciare le sostanze organiche, come gli zuccheri
ricavati dagli alimenti, e liberare l'energia che esse contengono. Questo processo è detto respirazione
cellulare.
Il numero dei mitocondri è variabile e dipende dall'attività della cellula. Cellule poco attive, come per esempio
quelle del lobo dell'orecchio, ne contengono alcuni: gli spermatozoi, che si muovono attivamente, ne includono
alcune decine; le cellule del cuore molti di più.
I mitocondri possiedono una piccola molecola di DNA circolare, chiamato DNA mitocondriale, nel quale è
contenuta l'informazione per costruire parte dei componenti dell'organulo.
I cloroplasti. Sono organuli che si trovano solo nelle cellule delle parti verdi delle piante e delle alghe.
I cloroplasti, ben visibili al microscopio ottico, hanno la forma di piccole lenticchie verdi, perche contengono
clorofilla, e sono avvolti da una doppia membrana. Sono la sede della fotosintesi, il processo che consente alla
cellula vegetale di utilizzare l'energia solare per produrre, a partire da anidride carbonica e acqua, sostanze
organiche ricche di energia. Come i mitocondri, i cloroplasti hanno una piccola molecola di DNA circolare simile
a quella dei batteri.
Il reticolo endoplasmatico. È un sistema di membrane in comunicazione tra loro che attraversano il citoplasma
dalla zona intorno al nucleo fino alla membrana cellulare. Si possono distinguere due tipi di reticolo
endoplasmatico: uno dall'aspetto granulare, detto perciò rugoso, l'altro privo di granulazioni, detto liscio.
Il reticolo endoplasmatico rugoso appare bitorzoluto, perché sulla sua superficie aderiscono i ribosomi, gli stessi
corpuscoli presenti anche liberi nel citoplasma. I ribosomi hanno un ruolo molto importante: sono come i "banchi
di montaggio" per la produzione delle proteine sulla base delle direttive fornite dal DNA.
Il reticolo endoplasmatico liscio non è associato a ribosomi e non partecipa alla costruzione delle proteine, ma è
coinvolto nella produzione di sostanze grasse come il colesterolo e gli ormoni sessuali.
L'apparato di Golgi. È costituito da una serie di "sacchetti" schiacciati, simill a palloncini sgonfiati, formati da
membrane e impilati l'uno sull'altro. Il nome deriva da quello di un medico italiano, Camillo Golgi (1843-1926),
che lo mise in evidenza per primo nel 1898.
Esso riceve le proteine e i grassi sintetizzati dal reticolo endoplasmatico rugoso, le modifica e quindi le invia
all'interno di vescicole in altre parti della cellula o all'esterno. Nelle piante l'apparato di Golgi ha anche la
funzione di costruire la cellulosa che viene convogliata verso l'esterno per creare la parete.
Le cellule di ghiandole che producono sostanze da riversare all'esterno, come le ghiandole salivari, quelle del
naso, che producono muco, o le cellule del pancreas, che producono gli enzimi digestivi, hanno un reticolo
endoplasmatico rugoso e un apparato di Golgi molto sviluppati.
I lisosomi. Alcune vescicole dell'apparato di Golgi danno origine a organuli detti lisosomi.
I lisosomi sono delimitati da una membrana impermeabile che impedisce al loro contenuto acido di rimescolarsi
nel citoplasma, perché altrimenti lo distruggerebbe. L'elevata acidità è ottimale per il lavoro di speciali enzimi
demolitori: qualsiasi sostanza giunga al loro interno, come batteri e particelle estranee, viene demolita e i resti
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vengono restituiti al citoplasma della cellula. Anche gli organuli della cellula stessa vengono "rottamati" per
recuperare materiali utili alle attività cellulari.
I lisosomi sono anche chiamati "sacchi suicidi", perché in particolari circostanze si rompono: il loro contenuto
riversato nel citoplasma provoca l'auto-digestione della cellula.
I vacuoli. Sono organuli particolarmente evidenti nelle cellule delle piante. Piccoli e numerosi nella cellula
giovane, nella cellula matura si ingrandiscono e si fondono in un unico grande vacuolo, una specie di
"sacchetto", che arriva a occupare anche il 90% del volume cellulare.
Nei vacuoli è contenuto il succo vacuolare, a base di acqua e altre sostanze disciolte. I vacuoli hanno diverse
funzioni: gonfi d'acqua, contribuiscono alla rigidità e al sostegno dei tessuti vegetali grazie alla pressione che
esercitano sulle pareti cellulari; alcuni vacuoli, come quelli dei semi, contengono sostanze nutrienti che
serviranno alla nuova piantina durante lo sviluppo; nei vacuoli dei fiori, invece, sono disciolte sostanze come gli
antociani che conferiscono ai petali il loro colore.
Ciglia e flagelli. Sono gli organuli associati al movimento della cellula. Appaiono come sottili estroflessioni del
citoplasma percorse nella loro lunghezza da tubuli del citoscheletro. Le ciglia sono più corte e in genere
rivestono numerose tutta la superficie cellulare; i flagelli invece sono più lunghi e in numero limitato.
La nostra trachea. il condotto attraverso cui passa l'aria che respiriamo, è tappezzata da cellule dotate di ciglia
che si agitano incessantemente allo scopo di rimuovere le particelle estranee introdotte con l'aria. Gli
spermatozoi si muovono, invece, grazie a un lungo flagello.
La tabella mostra la presenza o l'assenza degli organuli nel confronto tra la cellula eucariote animale e quella
vegetale.
Cellula eucariote
parete
membrana cellulare
reticolo endoplasmatico
ribosomi
nucleo
mitocondri
cloroplasti
Golgi
vacuolo
lisosomi
Animale
no
si
si
si
si
si
no
si
tanti piccoti
si
4
Vegetale
si
si
si
si
si
si
si
si
uno grande
si
