Teoria Cellulare, Cellula procariote ed eucariote

LA TEORIA CELLULARE

Nel diciottesimo secolo Robert Hooke, usando un microscopio di sua invenzione, notò che il sughero e altri tessuti vegetali erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità «celle», cioè «piccole stanze». Il termine cellula ha assunto il suo attuale significato, cioè unità di base della materia vivente, soltanto 150 anni dopo la scoperta di Hooke.

Nel 1838 Matthias J. Schleiden, un botanico tedesco, giunse alla conclusione che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule. Nell'anno seguente lo zoologo tedesco Theodor Schwann estese le osservazioni di Schleiden ai tessuti animali e propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi. Nel 1858 l’idea che tutti gli organismi fossero formati da una o più cellule assunse un significato ancora più ampio quando l’anatomopatologo tedesco Rudolf Virchow affermò che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti.

Una cellula può essere definita come un elemento di piccole dimensioni, delimitato da una membrana, pieno di una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua e dotato della capacità di produrre copie di sé stesso, crescendo e dividendosi in due.

Secondo l’attuale formulazione, la teoria cellulare stabilisce che:

1.      tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule, unità elementari dotate di proprietà comuni;

2.      la cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale nella struttura degli organismi viventi, dei quali possiede tutte le proprietà caratteristiche. Negli organismi viventi molte funzioni complesse sono rese possibili dall'esistenza di una continua cooperazione tra le diverse cellule;

3.      le cellule si originano da altre cellule preesistenti;

4.      nelle cellule l'informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle cellule parentali alle cellule-figlie durante la divisione cellulare.

TIPI CELLULARI

In base alla presenza o meno di un nucleo vero e proprio, le cellule vengono divise in due gruppi: cellule eucariotiche e cellule procariotiche.

La cellula procariotica

Le cellule procariotiche sono le più semplici e le più piccole cellule esistenti: le loro dimensioni variano da 0,5 a 5 μm.

Tutte le cellule procariotiche possiedono la stessa struttura di base:

1.      sono delimitate da una membrana plasmatica, composta da un doppio strato di fosfolipidi. La membrana plasmatica permette alla cellula di mantenere costanti le caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente interno e agisce da barriera semipermeabile, impedendo ad alcune sostanze di attraversarla e permettendo ad altre di entrare e uscire da essa. La membrana plasmatica forma delle invaginazioni dette mesosomi: sono sede di diversi siti enzimatici e sono coinvolti in processi quali respirazione, fotosintesi, divisione cellulare e sintesi dei lipidi;

2.      all’interno della membrana plasmatica si trova il citoplasma, un materiale semifluido in cui avvengono tutte le reazioni cellulari. Il citoplasma è composto da due parti: il citosol, che è la parte più fluida, e le particelle insolubili sospese in esso, fra le quali i ribosomi. Il citosol è costituito per la maggior parte da acqua contenente in soluzione ioni, micromolecole e macromolecole solubili come certe proteine;

3.      una zona particolare del citoplasma, chiamata nucleoide (senza membrana), contiene il DNA che si trova sotto forma di un’unica molecola circolare. Il DNA fornisce le informazioni per costruire tutte le proteine dell’organismo;

4.      nel citoplasma sono sempre presenti i ribosomi, aggregati di rRNA (RNA ribosomiale) e proteine del diametro di 25 nm, in cui ha luogo la sintesi proteica: le informazioni provenienti dal DNA sono usate per assemblare assieme gli amminoacidi a formare polipeptidi e proteine.
Il citoplasma non è un comparto statico, ma le molecole in esso contenute sono in costante. movimento: una proteina può attraversare tutta la cellula in un minuto, e lungo il suo percorso può entrare in collisione con molte altre molecole. Questo movimento contribuisce ad assicurare che le reazioni biochimiche avvengano a un ritmo sufficiente per mantenere in vita la cellula. Infatti, pur avendo una struttura piuttosto semplice, le cellule procariotiche sono funzionalmente complesse, in quanto compiono ad ogni istante migliaia di reazioni.

Nel corso della loro evoluzione, alcuni procarioti hanno sviluppato strutture specializzate in grado di conferire un vantaggio alle cellule che le possiedono. Tali strutture comprendono una parete cellulare protettiva, il ripiegamento della membrana plasmatica in una membrana interna per la compartimentazione di alcune reazioni chimiche e i flagelli per il movimento della cellula nell'ambiente acquatico.

La parete cellulare e la capsula. Molti procarioti possiedono una parete cellulare situata esternamente alla membrana plasmatica. La rigidità della parete cellulare, costituita da un tipo

particolare di carboidrati, i peptidoglicani (formati da lunghe catene polisaccaridiche in cui si alternano unità di ammino-zuccheri uniti da ponti trasversali di natura peptidica a formare una struttura complessa, che avvolge la superficie batterica), serve da sostegno alla cellula e ne determina la forma.

Attorno alla parete cellulare, alcuni batteri presentano un ulteriore rivestimento composto da polisaccaridi e denominato capsula. In alcune specie, la capsula batterica serve a proteggere i batteri dagli attacchi del sistema immunitario degli organismi infettati. In altri casi, la capsula contribuisce a preservare la cellula dall'essiccamento e talvolta aiuta il batterio ad aderire ad altre cellule oppure a un substrato. La capsula tuttavia non è essenziale alla vita dei procarioti; molte specie non la producono e quelli che la possiedono possono sopravvivere anche se la perdono.

Le membrane interne. Alcuni gruppi di batteri, chiamati cianobatteri (o alghe azzurre), sono in grado di svolgere la fotosintesi, poiché la loro membrana plasmatica si ripiega all’interno del citoplasma, formando un sistema di membrane interne contenenti le molecole responsabili della fotosintesi. L’affermarsi della fotosintesi, che necessita di ampie superfici di membrana, è stato un evento importante nelle prime fasi dell’evoluzione della vita sulla Terra.

I flagelli e i pili. Numerosi procarioti sono in grado di nuotare usando appendici, denominate flagelli, costituite da proteine capaci di contrarsi. Il flagello ha l’aspetto di un piccolo cavatappi che ruota sul proprio asse come un’elica, spingendo avanti la cellula. Senza flagelli, la cellula non è più in grado di spostarsi. Altri procarioti possiedono strutture più corte e molto più numerose, che sporgono dalla superficie della cellula: queste strutture filiformi sono chiamate pili e servono a far aderire un batterio a un altro durante gli scambi di materiale genetico, oppure favoriscono l’adesione dei batteri alle cellule animali da cui ricavano protezione o cibo.

Il citoscheletro. “Citoscheletro” è un nome collettivo usato per definire vari tipi di filamenti proteici che hanno un ruolo nella divisione cellulare o nel mantenimento della forma delle cellule. In passato si pensava che soltanto le cellule eucariotiche avessero un citoscheletro, ma recentemente i biologi hanno verificato che questa struttura è largamente diffusa anche tra i procarioti.

La cellula eucariotica

Le cellule eucariotiche hanno diametro compreso fra i 10 e 100 μm.

Come le cellule procariotiche, anche le cellule eucariotiche sono delimitate dalla membrana citoplasmatica e contengono citoplasma, ribosomi e DNA; tuttavia hanno una struttura interna molto più complessa di quella delle cellule batteriche. Esse infatti sono caratterizzate dalla presenza di compartimenti interni delimitati da membrane, gli organuli o organelli, nei quali sono contenuti specifici enzimi. Grazie a tali enzimi, ogni tipo di organulo può svolgere particolari reazioni chimiche che non si realizzano nelle altre parti della cellula.

Gli organuli e le altre strutture cellulari si possono osservare al microscopio elettronico oppure si possono studiare dopo averli isolati grazie a un processo chiamato frazionamento cellulare che li separa in base alla densità.

Alcuni organuli sono presenti in tutti i tipi di cellule eucariotiche: tra questi il più evidente è il nucleo che contiene gran parte del materiale genetico (DNA) della cellula. Nel nucleo hanno luogo la duplicazione del DNA e le prime tappe della decodificazione dell’informazione genetica.

In tutte le cellule eucariotiche sono presenti anche il reticolo endoplasmatico (RE) e l’apparato di Golgi, i mitocondri e i vacuoli. Altri tipi di organuli sono invece caratteristici solo delle cellule vegetali o delle cellule animali. I cloroplasti, per esempio, si trovano soltanto nelle cellule vegetali, mentre i lisosomi sono presenti esclusivamente in quelle animali.

Tutti gli organuli sono avvolti da una membrana costituita da fosfolipidi e proteine. La membrana svolge due funzioni importanti:

1.      tiene separate le biomolecole dell’organulo dalle altre molecole presenti nella cellula, impedendo che reagiscano impropriamente tra loro;

2.      regola gli scambi lasciando entrare nell'organulo le materie prime e liberando i prodotti direttamente nel citoplasma oppure all'interno di vescicole, anch'esse rivestite di membrana, che si dirigono verso la loro destinazione specifica.

Le cellule: differenze e aspetti comuni

Le cellule che formano gli esseri viventi presentano delle differenze e degli aspetti comuni.

Fra le differenze notiamo che:

•        le dimensioni variano dai pochi micrometri dei batteri al millimetro dell'uovo di rana;

•        alcune cellule hanno possibilità di movimento, mentre altre sono immobili;

•        a volte è presente un rivestimento esternamente alla membrana, che può avere struttura e composizione chimica variabile;

•        alcune cellule utilizzano l'ossigeno atmosferico, mentre altre ne sono avvelenate;

•        alcune cellule sono in grado di produrre composti particolari, come ormoni, amido, grasso, pigmenti o gomma.

Fra gli aspetti comuni notiamo che:

•        la composizione chimica delle cellule si basa su: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici;

•        le reazioni chimiche che permettono di produrre energia sono comuni, tutte le cellule svolgono la glicolisi e l'ATP rappresenta sempre il principale composto attraverso il quale la cellula può mettere da parte energia e renderla facilmente disponibile;

•        in tutte le cellule l'informazione genetica risiede nel DNA, che ha la stessa struttura chimica in tutti i viventi.