COMPOSIZIONE E ORGANIZZAZIONE DELLE CELLULE

Composizione e organizzazione delle cellule

Tutte le cellule sono composte da sostanze inorganiche (cioè che non contengono carbonio), quali l’acqua e i sali minerali, e da sostanze organiche (ossia che contengono carbonio) come le proteine, i glucidi, i lipidi e altri composti del metabolismo cellulare. Indipendentemente dal numero e dal tipo di cellule che lo compongono, ogni organismo vivente è formato da queste stesse sostanze; nel caso degli animali, incluso l’uomo, la maggior parte di esse deve essere assunta con la dieta.

Comprendere la struttura e il metabolismo di batteri, lieviti e muffe permette anche di comprendere e apprezzare il loro ruolo fondamentale negli ecosistemi (per esempio nella decomposizione della materia organica) e per i processi della vita sul pianeta in generale.

Le differenze tra le cellule e l’evoluzione biologica

Per quanto siano composti dalle stesse sostanze chimiche, cellule e organismi possono avere non solo varie dimensioni e forme, ma anche strutture e livelli di complessità assai differenti tra loro. Ciò consente una prima distinzione di massima: gli organismi procarioti e gli organismi eucarioti.

I procarioti, di cui fanno parte i batteri, hanno dimensioni dell’ordine di pochi micrometri (in 1 millimetro ci sono 1000 micrometri). Furono tra i primi organismi a comparire sulla Terra e sono caratterizzati da un’organizzazione prettamente unicellulare: singole cellule, con una struttura relativamente semplice, in grado di crescere, riprodursi e adattarsi a ogni ambiente terrestre.
L’evoluzione trasformò poi alcuni procarioti in eucarioti: cellule con un’organizzazione interna più complessa, in cui si riconoscono distinti comparti funzionali. Le dimensioni della cellula eucariote possono essere molto variabili, ma raramente sono inferiori a 10 micrometri.

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Dimensioni a confronto

I Procarioti

I procarioti, che comprendono batteri e archeobatteri, sono organismi unicellulari dotati di entrambi gli acidi nucleici (▶ DNA e RNA) e di tutte le strutture necessarie a condurre una vita autonoma. Presentano un livello di organizzazione più semplice di quello degli eucarioti, rispetto ai quali mancano di numerose strutture.

I batteri infatti sono dotati di una membrana cellulare che contiene un liquido, il citosol, nel quale è immersa una grande varietà di molecole con funzioni ben precise. All’esterno, i batteri sono protetti da una parete che li avvolge, di spessore e forma variabile. I loro caratteri ereditari, in forma di una lunga molecola circolare di DNA, sono raccolti in un ammasso più scuro definito nucleolo o nucleoide. A differenza di ciò che accade nelle cellule eucariote, questo materiale non è racchiuso in una membrana. Risulta quindi meno protetto, per esempio, dalle radiazioni ultraviolette della luce solare, in grado di danneggiarlo. Sempre all’interno dello spazio intracellulare si trovano i ribosomi, complessi molecolari specializzati nella sintesi delle proteine; all’esterno possono essere presenti organuli, come pili o flagelli, per il movimento o l’adesione.

Grazie alla forma tipica dei batteri è possibile operare una prima classificazione.

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Classificazione dei batteri in base alla forma
	cocchi hanno una forma tondeggiante; talvolta essi possono riunirsi formando delle colonie e, in base alla modalità di aggregazione, sono classificabili in: – streptococchi, quando si uniscono a formare delle catene; – stafilococchi, quando si uniscono in grappoli;
	bacilli hanno una forma a bastoncino;
	vibrioni hanno una struttura a bastoncello ricurvo;
	spirilli sono fatti a spirale;
	corinebatteri sono a forma di clava.

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Riproduzione dei batteri

I batteri sono in grado di moltiplicarsi attraverso due modalità di riproduzione molto diverse tra loro: una asessuata (scissione binaria) e una sessuata (coniugazione batterica).

Scissione binaria

Si tratta di un tipo di riproduzione asessuata, ossia che interessa una sola cellula. Nella scissione binaria si ha dapprima una duplicazione del materiale genetico e in seguito una divisione a metà della cellula stessa. In questo modo si ottengono dei ▶ cloni. È il tipo di riproduzione più frequente ed è molto veloce (si stima che avvenga una scissione ogni 30 minuti circa). I cloni però, avendo lo stesso patrimonio genetico, sono tutti ugualmente sensibili a fattori che possono provocarne la morte, come la presenza di antibiotici nel terreno di crescita.

Coniugazione batterica

È un tipo di riproduzione sessuata, cioè coinvolge più cellule che fondono il loro materiale genetico. La coniugazione consiste infatti in un trasferimento di materiale genetico tra individui generalmente della stessa specie. Perché ciò si verifichi, è necessario che un batterio sia dotato di plasmide, ossia di una molecola di DNA in grado di replicazione autonoma e indipendente dal nucleolo. Il primo batterio, attraverso un ponte molecolare cavo chiamato pilo, trasferisce una copia del plasmide a un altro batterio, che così acquisterà dei geni supplementari e dunque nuove capacità.

Pur essendo molto più lenta e più rara rispetto alla scissione binaria, la ▶ ricombinazione del materiale genetico costituisce un’importante strategia evolutiva per aumentare la variabilità genetica di una specie e migliorarne la capacità di sopravvivenza.

Ricombinazione genetica

| Genetic recombination |

Per ricombinazione genetica si intende un processo di trasferimento o scambio di materiale genetico tra cellule. Negli organismi più evoluti (come nell’uomo) la ricombinazione si ottiene attraverso la riproduzione sessuale e garantisce la generazione di nuovi individui con caratteristiche diverse dai genitori. Fra i procarioti la ricombinazione è un evento piuttosto raro e la coniugazione rappresenta una delle modalità con cui si può verificare.

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fissa il concetto

Tipo di riproduzione	Asessuata	sessuata
vantaggi	colonizzazione veloce	riproduzione lenta

svantaggi	cellule identiche (e quindi facilmente eliminabili con lo stesso agente)	variabilità genetica (e quindi formazione di cellule più resistenti)

I virus

I virus non sono costituiti da cellule, infatti 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 (1 nm = un milionesimo di millimetro). 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 della varicella), o dell’HIV (Human Immunodeficiency Virus), virus responsabile dell’AIDS.

Le forme dei virus sono generalmente riconducibili a modelli standard: possono essere complesse e asimmetriche, poliedriche o circolari, con o senza strutture di ancoraggio.

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. Alcuni virus sono in grado di parassitare i batteri: in questo caso si parla di “batteriofagi” o semplicemente “fagi”.

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eUCARIOTI

Gli eucarioti (nome che significa “dal vero nucleo”, perché contrariamente ai procarioti hanno un nucleo ben differenziato, delimitato da un involucro) possono essere organismi unicellulari (come il Saccharomyces cerevisiae, il comune lievito di birra) oppure pluricellulari. Gli eucarioti pluricellulari sono presenti nel regno dei funghi, delle piante e degli animali.

Tra le cellule vegetali e quelle animali si riscontrano analogie in termini strutturali, con alcune importanti differenze: gli animali sono eterotrofi, ossia consumano molecole biologiche prodotte da altri organismi e sono in grado di muoversi per ricercare il cibo, mentre le piante sono autotrofe, cioè sono autosufficienti per quanto riguarda la produzione di sostanze nutritive e non si muovono autonomamente. Il regno dei funghi presenta caratteristiche intermedie fra gli animali e i vegetali: questi organismi, infatti, possono apparire simili alle piante, ma sono essenzialmente eterotrofi e si nutrono per assorbimento.

Il regno dei funghi

I funghi sono organismi eucarioti con caratteristiche intermedie fra le piante e gli animali: infatti, pur non essendo in grado di muoversi, sono eterotrofi e quindi si nutrono di sostanze organiche assorbite dal terreno in cui crescono. I funghi possono essere macroscopici o microscopici. I primi assumono dimensioni tali da emergere visibilmente dal letto del sottobosco. Molti funghi macroscopici sono edibili, ma alcuni sono tossici e il rischio per la salute dipende sia dalla dose ingerita sia dalla pericolosità della tossina da essi prodotta.

I funghi microscopici comprendono:

le muffe, organismi pluricellulari in cui le cellule si dispongono in lunghi filamenti ramificati, detti ife, che formano un micelio, ovvero un ammasso intricato di ife che ricorda la trama di un tessuto;
i lieviti, organismi unicellulari che si moltiplicano per gemmazione o formando delle spore.

I lieviti e le muffe sono ampiamente utilizzati nell’industria alimentare e farmaceutica: in particolare quando è necessario un processo di fermentazione (nella produzione di pane, birra e vino) ma anche per produrre formaggi quali il Gorgonzola o il Camembert, e nella produzione di medicinali come il cortisone e molti antibiotici. Tuttavia alcuni ceppi di questi funghi microscopici, in particolare di muffe, producono sostanze tossiche o cancerogene per l’uomo.

Le spore fungine consentono al fungo di riprodursi per via asessuata.

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.

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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 che conferisce alla cellula protezione e rigidità. Nello spazio intracellulare di ogni cellula eucariote si trovano diverse strutture, dette organelli o organuli, responsabili di precise funzioni. 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. Le cellule di un individuo hanno tutte gli stessi identici cromosomi (a eccezione dei gameti, le cellule riproduttive). 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 per consentire la formazione di proteine.

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I ribosomi, il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi

I ribosomi svolgono l’importante funzione di tradurre in proteine l’informazione contenuta nei geni dei cromosomi.

Il reticolo endoplasmatico è costituito da un complesso sistema di membrane vicine al nucleo (che hanno l’aspetto di sacche impilate). 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. Nel reticolo endoplasmatico avvengono una serie di complessi processi metabolici, tra cui la sintesi delle sostanze destinate a essere liberate all’esterno della cellula.

L’apparato di Golgi è anch’esso formato da sacche membranose appiattite; ha la funzione di ultimare la sintesi delle proteine, finché da esso si distaccheranno vescicole contenenti le proteine stesse, pronte per essere liberate all’esterno della cellula.

fissa il concetto

	DNA	ribosomi	Altri organuli	Parete	origine	dimensioni
eucarioti	nel nucleo	presenti	presenti	presente in alcuni casi (vegetali)	evoluti	10-100 µm
procarioti	libero nel citosol	presenti	assenti	sempre presente	primitivi	1-10 µm

Vescicole e vacuoli

Le vescicole sono utilizzate per il trasporto di sostanze dall’esterno verso l’interno della cellula (endocitosi) e viceversa (esocitosi). 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. 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 viene immagazzinata soprattutto acqua, ma anche diverse sostanze organiche.

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.

I cloroplasti sono organuli presenti solo nelle cellule vegetali (in particolare nei tessuti verdi e più esposti alla luce, come le foglie); al loro interno 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. La struttura interna del cloroplasto è costituita da numerose membrane, dette lamelle, che ospitano la clorofilla e gli enzimi necessari alla fotosintesi.

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fissa il concetto

cellula	Modalità di nutrimento	vacuolo	parete	organelli per la produzione di energia
vegetale	autotrofo	presente	presente	cloroplasti
animale	eterotrofo	assente	assente	mitocondri

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