La cellula come base della vita

TEORIA CELLULARE 

Nel XVIII secolo Robert  Hooke, usando un microscopio di sua invenzione, osservò che il sughero e  altri tessuti vegetali in realtà erano formati da piccole cavità separate da pareti; egli chiamò queste cavità con un termine latino «cellule», che significa  «piccole  stanze, cellette» perché gli ricordavano le cellette in cui risiedevano i monaci.
Col  termine cellula oggi si indica l'unità di base della materia vivente, come evidenziato nel 1838 dal botanico tedesco Matthias  J. Schedine, il quale affermò che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da insiemi organizzati di cellule.
Nel 1839 lo zoologo tedesco Theodor Schwann affermò che, quanto osservato nelle piante da  Schedine, era valido anche per i tessuti animali e propose che le cellule fossero la base costituente comune a tutti gli organismi viventi. 

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.

·         Nel 1858 l’anatomopatologo tedesco Rudolf Virchow affermò che le cellule possono essere originate solo da altre cellule preesistenti.

 Oggi sappiamo che una cellula:

•          è in genere di piccole dimensioni (fatta eccezione per le uova di alcuni animali)
•          è delimitata da una membrana;
•          contiene una soluzione concentrata di sostanze chimiche in acqua;
•          cresce
•     è capace di produrre copie di sé, dividendosi in due.

L’attuale teoria cellulare afferma che:

1.     Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule, unità-base con proprietà comuni; 

2.     La cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale di tutti gli organismi viventi, dei quali possiede tutte le proprietà caratteristiche. 

3.     Negli organismi viventi molte funzioni complesse sono possibili dalla continua cooperazione e comunicazione tra le diverse cellule che li costituiscono; 

4.     Le cellule derivano da altre cellule preesistenti; 

5.     Nelle cellule l'informazione genetica risiede nel DNA e viene trasmessa dalle cellule-madri alle cellule-figlie durante la divisione cellulare.

La cellula è la più piccola parte della materia vivente che possiede tutte le caratteristiche della vita. 

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 m. 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, macromolecole e macromolecole solubili come certe proteine.
3. Una zona particolare del citoplasma, chiamata nucleoide, 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 RNA 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  amino-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

I cianobatteri (o alghe azzurre) attuano 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'avvento della fotosintesi ha permesso le prime fasi dell’evoluzione della vita sulla Terra.

I flagelli e i pili

Numerosi procarioti si muovono grazie ad appendici proteiche, dette flagelli, capaci di contrarsi. Il flagello ruota sul proprio asse, spingendo avanti la cellula. Senza flagelli, la cellula non può spostarsi.  

Altri procarioti possiedono strutture più corte e più numerose, filiformi chiamate pili che permettono al batterio:

• di entrare in contatto con un altro durante gli scambi di materiale genetico (Pilo F o fattore di fertilità della Coniugazione batterica);
• di aderire alle cellule animali per ottenere protezione o cibo.

Il citoscheletro

“Citoscheletro” è un nome collettivo usato per definire vari tipi di filamenti proteici coinvolti nella divisione cellulare o nel mantenimento della forma delle cellule. 

In passato si pensava che soltanto le cellule eucariotiche possedessero il citoscheletro, ma recentemente i biologi hanno appurato che tale struttura è presente anche nei procarioti.

La cellula eucariotica 

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

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, presentano COMPARTIMENTAZIONE o COMPARTIMENTALIZZAZIONE, ossia è possibile distinguere numerosi compartimenti interni delimitati da membrane, detti organuli o organelli, nei quali sono contenuti specifici enzimi che si occupano di svolgere specifiche reazioni chimiche, indipendenti da quelle che avvengono negli altri organelli. 

Gli organuli e le altre strutture cellulari si possono osservare al microscopio elettronico oppure si possono studiare dopo averli isolati grazie al processo di 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.   separa 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 degli esseri viventi sono differenti tra loro: 

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

•         alcune cellule sono dotate di movimento, altre sono immobili; 

•         alcune cellule hanno un rivestimento esternamente alla membrana, a struttura e composizione chimica variabile; 

•         alcune cellule usano l'ossigeno atmosferico, mentre altre no; 

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

Fra gli aspetti comuni notiamo che: 

•         tutte le cellule hanno la stessa composizione chimica: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici; 

•         le reazioni chimiche che permettono di produrre energia sono comuni: tutte le cellule svolgono la glicolisi; l’ATP rappresenta sempre la moneta energetica delle cellule facilmente disponibile; 

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

Fonti:

Invito alla Biologia blu. Sadava et al.

Invito alla biologia.blu Curtis Barnes Schnek Flores Valitutti Tifi Gentile