Percorsi di scienza degli alimenti

1 LE BASI SCIENTIFICHE DELL’ALIMENTAZIONE >> 2. La cellula

I virus

I virus sono entità biologiche ancora più piccole e semplici delle cellule procariote: visibili solo al microscopio elettronico, misurano da poco più di 10 a 100 nm circa. A differenza delle cellule, i virus non sono in grado di vivere autonomamente: affinché possano sopravvivere e riprodursi, devono necessariamente approfittare di un altro organismo, attaccandolo e infettandolo. Un virus è composto da un solo acido nucleico (può essere una molecola di DNA oppure di RNA, a seconda del tipo di virus) contenuto in una particolare struttura chiamata capside; quest’ultima talvolta è ulteriormente contenuta in un involucro esterno, come nel caso degli Herpesvirus (virus a DNA), o dell’HIV (Human Immunodeficiency Virus), virus a RNA responsabile dell’AIDS.
Le forme dei virus sono generalmente riconducibili a modelli standard: possono essere complesse e asimmetriche, poliedriche o circolari, con o senza fibre esterne; o ancora a bastoncino, come nel caso del virus del mosaico del tabacco.
La modalità di riproduzione di alcuni virus è ormai nota e ben compresa. Sappiamo, per esempio, come agisce il virus responsabile dell’influenza umana che, fondendosi con la membrana della cellula infettata, rilascia all’interno di quest’ultima il suo materiale genetico destinato a essere incluso in quello cellulare. In un secondo tempo la cellula infettata produce a proprie spese proteine virali che si ricompongono in nuove copie del virus. Quando la cellula contaminata muore, rilascia nuovi virus che infettano le cellule circostanti. Esistono però molti virus il cui meccanismo di riproduzione è meno chiaro e dunque più difficile da contrastare. Ciò rende queste entità biologiche particolarmente temibili e pericolose anche per la salute dell’uomo. La storia ne è testimone, come nel caso delle passate epidemie di poliomielite e di vaiolo.

EUCARIOTI

Gli eucarioti (nome che significa “dal vero nucleo”), che contrariamente ai procarioti hanno un nucleo ben differenziato, delimitato da un involucro, possono essere organismi unicellulari, i protisti (come le amebe o il Saccharomyces cerevisiae, il comune lievito di birra), oppure pluricellulari. Gli eucarioti pluricellulari si distinguono a loro volta nel regno dei funghi, dei vegetali e degli animali. Tra le cellule vegetali e quelle animali si riscontrano analogie in termini strutturali, con alcune importanti differenze riconducibili alle caratteristiche tipiche di ogni regno: gli animali consumano molecole biologiche prodotte da altri organismi (condizione definita eterotrofia) e sono in grado di muoversi per ricercare il cibo, mentre i vegetali non si muovono autonomamente, ma sono autosufficienti per quanto riguarda la produzione di sostanze nutritive (autotrofia). Il regno dei funghi presenta caratteristiche intermedie fra gli animali e i vegetali: questi organismi, infatti, conducono una vita vegetativa come le piante, ma sono essenzialmente eterotrofi.
Le cellule che costituiscono gli organismi pluricellulari presentano forme molto diverse tra loro a seconda della funzione che svolgono. Alcune sono piatte, altre cilindriche, altre ancora affusolate, a forma di prisma o stellate e così via.

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STRUTTURA DELLA CELLULA EUCARIOTE

Nonostante le notevoli differenze di conformazione, le cellule eucariote sono caratterizzate da un’organizzazione interna comune e dalla presenza delle stesse strutture fondamentali.

Membrana e citoplasma

Come nel caso della cellula procariote, ogni cellula eucariote è delimitata da una membrana esterna, detta plasmatica o cellulare, composta da un doppio strato lipidico. Si tratta di una membrana semipermeabile, in grado cioè di essere attraversata in modo selettivo da diverse molecole, regolando così gli scambi tra l’ambiente interno (intracellulare) e quello esterno (extracellulare). Esternamente le cellule vegetali, in più rispetto alle cellule animali, presentano una parete cellulare composta da cellulosa. Nello spazio intracellulare di ogni cellula eucariote si trovano diverse strutture, dette organelli o organuli, responsabili di precise funzioni: è il caso, per esempio, del reticolo endoplasmatico, dell’apparato di Golgi, dei mitocondri, dei vacuoli.
Gli organelli sono immersi nel citosol, composto al 75-85% da acqua: esso è a tutti gli effetti lo spazio e il mezzo in cui avvengono tutte le reazioni cellulari. L’insieme del citosol e degli organelli costituisce il citoplasma cellulare.

Nucleo e cromosomi

Il nucleo, delimitato dalla membrana nucleare, si trova solitamente in posizione centrale e contiene la cromatina (complesso costituito da DNA e particolari proteine), che in alcune fasi del ciclo cellulare appare compattata in forma di cromosomi. Questi ultimi, durante la divisione cellulare (mitosi), compaiono in forma di grossi complessi molecolari a forma di X. Sono costituiti da proteine cui si avvolgono le lunghe molecole di DNA. Variano in quantità e aspetto da specie a specie: 46 nell’uomo, 30 nella capra, 19 nei gatti e nella vite, 17 nel melo e così via. I 46 cromosomi di un uomo derivano dall’unione, all’interno di uno zigote, di 23 cromosomi paterni e 23 materni.
Le cellule di un individuo hanno tutte gli stessi identici cromosomi, in quanto derivano da divisioni consecutive di questo zigote. Fanno eccezione le cellule riproduttive, dette gameti, contenenti 23 cromosomi totali. Il DNA che costituisce i cromosomi è suddiviso in sequenze definite geni. Essi sono all’origine di tutti i meccanismi di regolazione cellulare. Ogni gene racchiude un’informazione scritta in linguaggio chimico che la cellula è in grado di leggere e tradurre in forma di proteine. Ogni proteina esistente proviene infatti dal gene di qualche essere vivente e la sua presenza (o assenza) all’interno di un organismo può attivare o spegnere intere cascate di reazioni chimiche.

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La riproduzione nell’uomo

L’uomo, come quasi tutti gli animali, si riproduce tramite riproduzione sessuata. Il processo prevede la fusione di due gameti, quello maschile, chiamato spermatozoo, e quello femminile, la cellula uovo. Questo meccanismo di fusione dei due gameti si chiama fecondazione e la cellula cui esso dà origine è detta zigote, contenente 46 cromosomi. La divisione successiva dello zigote tramite mitosi dà luogo allo sviluppo embrionale.

Ribosomi, reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi

Come le cellule procariote, anche quelle eucariote sono dotate di ribosomi. Le differenze tra i ribosomi delle due tipologie di cellule sono limitate a struttura e composizione, mentre la funzione svolta è la stessa: tradurre in proteine l’informazione contenuta nei geni dei cromosomi. I ribosomi possono essere liberi nel citoplasma o associati alle membrane della cellula. Tra i vari sistemi di membrane interni alle cellule eucariote si riconoscono due grandi complessi distinti: il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi. Essi hanno l’aspetto di sacche membranose impilate e interconnesse al cui interno avviene la sintesi e la modifica di varie molecole, tra cui le proteine. La regione del reticolo endoplasmatico prossima al nucleo presenta ribosomi inseriti nella membrana e viene perciò definita rugosa, mentre quella più lontana dal nucleo ne è priva ed è connotata come liscia. L’elaborazione delle proteine prosegue infine all’interno dell’apparato di Golgi, finché da esso si distaccheranno vescicole contenenti le proteine pronte per essere liberate all’esterno della cellula.

Cellule geneticamente modificate

Grazie alle tecnologie moderne è possibile inserire o togliere in modo stabile dei geni all’interno di una cellula, la quale risulterà quindi geneticamente modificata.
Mediante la manipolazione genetica si ottengono, per esempio, batteri in grado di produrre bioplastiche, piante in grado di resistere all’attacco di parassiti e animali che vengono studiati in laboratorio proprio per capire il ruolo dei geni inseriti o rimossi.

Vescicole e vacuoli

La cellula scambia continuamente molecole con l’ambiente esterno. Lo scambio avviene anche grazie al flusso di molteplici vescicole membranose, coinvolte nei processi di endocitosi (trasporto verso l’interno della cellula) e di esocitosi (trasporto verso l’esterno). Tali vescicole si formano nel citosol attraverso un meccanismo simile alla gemmazione, distaccandosi dalla membrana plasmatica, dal reticolo endoplasmatico o dall’apparato di Golgi, e sono poi in grado di fondersi con qualunque membrana seguendo il processo inverso. Alcune di queste vescicole (dette lisosomi o perossisomi) contengono particolari sostanze destinate a degradare i composti al loro interno.
Il vacuolo è un organulo particolarmente rilevante nelle cellule vegetali: arriva a occuparne anche il 90% del volume complessivo. Esso si forma nel citosol dalla fusione di diverse vescicole contenenti per lo più acqua; più le vescicole acquose confluiscono nel vacuolo, più la cellula vegetale si ingrandisce e si distende. Quando la cellula raggiunge le dimensioni definitive, la pressione operata dal vacuolo (pressione osmotica) genera il turgore che sostiene gli organi non legnosi delle piante (foglie e steli); pertanto eventuali danni a carico di questi organelli determinano l’avvizzimento delle piante.
All’interno del vacuolo vengono immagazzinate diverse sostanze organiche. Esse comprendono zuccheri, acidi organici, terpenoidi e fenoli fondamentali sotto il profilo nutrizionale degli esseri umani, in quanto determinano sia il sapore sia le funzioni nutraceutiche degli alimenti di origine vegetale. In aggiunta, nei vacuoli delle cellule non fotosintetiche, costituenti i petali dei fiori e i frutti, sono presenti pigmenti con lo scopo di attirare gli insetti impollinatori e disseminatori.

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Mitocondri e cloroplasti

I mitocondri forniscono alla cellula l’energia chimica necessaria per le funzioni cellulari. All’interno di questi organelli si completa il processo noto come respirazione cellulare: grazie all’ossigeno proveniente dalla respirazione, i composti ingeriti come fonte di energia sono completamente demoliti e ridotti a H₂O e CO₂. Gran parte dell’energia chimica liberata durante questa decomposizione non va dispersa, ma viene trasferita a molecole di adenosintrifosfato (ATP). Gli ATP prodotti dai mitocondri sono dunque molecole ad alto contenuto energetico. Tali molecole saranno usate successivamente dalla cellula per far avvenire tutte le reazioni che richiedono energia.
Nelle cellule vegetali, oltre ai mitocondri, compaiono specifici organelli, definiti cloroplasti, all’interno dei quali avviene la fotosintesi clorofilliana. Nei cloroplasti è contenuta infatti la clorofilla, una molecola in grado di assorbire l’energia contenuta nella luce solare e di usarla per produrre glucosio e ossigeno gassoso, a partire da H₂O e CO₂. Tale processo è dunque inverso alla respirazione cellulare. La clorofilla è anche un pigmento, cioè una sostanza in grado di conferire colore al suo supporto. Assorbendo la componente blu-rossa della luce solare, infatti, essa dà alle piante il loro tipico colore verde. Altri pigmenti sono invece all’origine del rosso dei pomodori, dell’arancione delle carote e di ogni altra colorazione dei vegetali. Sia i mitocondri sia i cloroplasti sono dotati di una doppia membrana e di un proprio DNA. Durante il processo di divisione della cellula anch’essi si sdoppiano, attuando una scissione binaria in modo simile ai procarioti.

Gli organismi pluricellulari sono formati dall’associazione di numerose cellule che possono avere caratteristiche molto diverse tra loro, tanto dal punto di vista chimico quanto da quello della forma e della funzione. Cellule con medesima morfologia e funzione si aggregano a formare i tessuti, come quello muscolare o quello epiteliale. Tessuti diversi, a loro volta, si organizzano a formare gli organi, per esempio lo stomaco o i reni. L’insieme di più organi costituisce un apparato o un sistema, come nel caso dell’apparato digerente.

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ORGANIZZO LE CONOSCENZE

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