La cellula è l’unità funzionale fondamentale di tutti gli organismi viventi. Può formare da sé un organismo intero (organismi unicellulari, ad esempio batteri e amebe) o far parte di strutture più complesse (organismi pluricellulari).
Una cellula è uno spazio parzialmente isolato dall’esterno, dentro la quale, in una soluzione acquosa (il citoplasma), avvengono le reazioni biochimiche necessarie per la vita dell’organismo e per la sua riproduzione. Non bisogna pensare alla cellula come ad un involucro al suo interno uniforme: vi sono varie strutture, ciascuna con proprie funzioni specifiche. Tali strutture sono dette organuli, e possono essere paragonati ai vari organi che compongono il nostro corpo.
In base al regno a cui un organismo appartiene, la cellula possiede determinate strutture e non ne ha altre. Analizzando le sue varie parti, specificheremo sempre in quali regni si trovano. È tuttavia necessario fare una distinzione preliminare tra organismi procarioti ed eucarioti. I primi, a cui appartengono batteri e archea, sono organismi sempre monocellulari e privi di nucleo: i cromosomi (nella maggior parte dei casi uno solo) si trovano direttamente nel citoplasma e allo stesso modo le varie reazioni biochimiche non avvengono in organuli dedicati. Al contrario, gli organismi eucarioti, che possono essere sia mono- che pluricellulari, hanno i cromosomi all’interno di un nucleo e molte funzioni sono svolte da appositi organuli. Vi sono altre differenze tra eucarioti e procarioti, ma verranno trattate in una lezione a parte.
Membrana cellulare
Qualunque cellula possiede una membrana cellulare (o plasmalemma), che separa il suo interno dall’ambiente esterno. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono inserite delle proteine. I lipidi della membrana sono anfipatici: hanno cioè una testa idrofila (costituita dall’acido ortofosforico) e una coda idrofoba (costituita da due acidi grassi). Le code dei due strati si fronteggiano tra loro, mentre le teste sono ai lati opposti. In questo modo, dato che l’ambiente sia interno sia -nella maggior parte die casi- esterno della cellula è acquoso, l’idrorepellenza delle code formerà un ambiente chiuso, mentre l’idrofilicità delle teste può dare una più precisa direzionalità alle molecole lipidiche. Questa struttura a due strati è detta bilayer lipidico.
I fosfolipidi non sono gli unici componenti della membrana cellulare. Si trovano infatti altri lipidi (da non dimenticare il colesterolo) e numerose proteine, sia esterne allo strato lipidico (proteine estrinseche), sia inserite al loro interno (proteine intrinseche). Le proteine di membrana svolgono funzioni fondamentali, tra le quali:
- Trasporto di molecole: la maggior parte delle molecole sono troppo grandi (o non liposolubili) per passare direttamente da un lato all’altro della membrana. Vi sono perciò molte proteine carrier che assolvono a questa funzione, per di più regolando e selezionando cosa deve entrare e uscire e in quali quantità.
- Trasduzione del segnale: le cellule comunicano con l’ambiente circostante e tra di loro attraverso complesse catene di reazioni chimiche, che funzionano da segnalazione per attivare sintesi di proteine, duplicazione cellulare, risposta immunitaria e numerosissime altre funzioni. Opportune proteine sulla membrana ricevono segnali dal mezzo extracellulare e avviano la serie di reazioni necessarie per segnalare alla cellula di cosa c’è bisogno.
- Enzimi: molte reazioni biochimiche avvengono per opera di proteine che invece di essere libere nel citosol (la soluzione del citoplasma) sono ancorate alla membrana cellulare.
- Giunzione tra cellule: proteine apposite mantengono in certi limiti la forma delle cellule e legandosi tra loro mantengono adese le cellule che compongono un tessuto. Le proteine di giunzione possono lasciare uno spazio intercellulare o creare giunzioni strette; inoltre possono formare canali che permettono il trasporto diretto di molecole da una cellula all’altra.
Ribosoma
Il ribosoma è un organulo costituito da proteine e RNA che svolge la fondamentale funzione di sintesi proteica, leggendo l’informazione genetica e traducendola in amminoacidi. I ribosomi sono presenti in tutti gli organismi viventi, anche se tra procarioti ed eucarioti ci sono alcune differenze nelle molecole che li compongono.
I ribosomi saranno trattati più in dettaglio nella lezione sulla sintesi proteica, ma come accenno riassuntivo si può ricordare che un ribosoma è costituito da due subunità di dimensioni diverse, ciascuna costituita da proteine e da un particolare RNA detto RNA ribosomiale, o rRNA. All’interno del ribosoma scorre l’RNA messaggero (o mRNA), che è una copia del DNA, e ogni tre nucleotidi viene fatto corrispondere il complementare RNA transfer (tRNA), a cui è legato l’amminoacido codificato da quella particolare sequenza di tre nucleotidi. L’amminoacido è legato alla nascente catena proteica fino a quando un segnale di stop (costituito da triplette di nucleotidi particolari) indica che la sintesi proteica è finita.
Reticolo endoplasmatico
Il reticolo endoplasmatico è un complesso organulo costituito da una serie di membrane che formano cisterne, tubuli, vescicole e canali. Si identificano due aree: il reticolo endoplasmatico rugoso (o ruvido) e quello liscio. Il primo, che inizia in prossimità del nucleo, è così definito poiché presenta numerosi ribosomi adesi alle membrane. Il ruolo principale del reticolo endoplasmatico è infatti quello di sintetizzare le proteine di membrana e quelle destinate a essere secrete o tenute dentro altri organuli (ad esempio i lisosomi). Le proteine prodotte qui o vengono direttamente inserite nelle membrane del reticolo (nel caso di proteine di membrana) o chiuse successivamente in vescicole. Una volta che la sintesi è ultimata, le parti di membrana con le proteine al loro interno si staccano formando vescicole, che attraversano il reticolo fondendosi da un lato e poi gemmando di nuovo dall’altro dei vari strati del reticolo. Il loro destino potrà poi essere diverso: potranno essere secrete fuori dalla cellula, potranno fondersi nella membrana di destinazione, oppure formare nuovi organuli. Molte proteine, prima di raggiungere la loro destinazione finale, saranno ulteriormente manipolate nell’apparato del Golgi.
Il reticolo endoplasmatico liscio, invece, non presenta ribosomi (da cui l’aspetto liscio) e ha funzioni diverse. Si occupa della sintesi di alcuni ormoni steroidei e di integrare sistemi proteici nelle membrane. A seconda del tipo di cellula in cui si trova può acquisire delle funzioni particolari, ad esempio è sviluppatissimo nelle cellule muscolari e ha un ruolo chiave nella contrazione del muscolo attraverso l’acquisizione e il rilascio di ioni calcio.
Apparato del Golgi
L’apparato del Golgi (chiamato così da Camillo Golgi, scienziato italiano che lo identificò nel 1896) si occupa di completare la formazione della gran parte delle proteine provenienti dal reticolo endoplasmatico e di smistarle verso le loro designate destinazioni.
L’apparato del Golgi è costituito da una serie di cisterne impilate in cui si vanno a fondere le vescicole provenienti dal reticolo (sul lato cis). Da queste stesse cisterne, dal lato opposto (il lato trans), usciranno vescicole con le proteine mature, che possono essere destinate alle membrane, all’esterno della cellula o a i suoi organuli. Nel tragittto nel Golgi, oltre ad essere smistate, le proteine che si accompagnano a zuccheri (le glicoproteine) subiscono modifiche al loro corredo di carboidrati.
Mitocondrio
I mitocondri, presenti anch’essi solo nelle cellule eucariotiche, sono gli organuli deputati a fornire energia alle cellule sotto forma di ATP (sulla pagina dedicata alla biochimica viene spiegata la sua natura molecolare), oltre che a svolgere diverse funzioni accessorie che controllano numerosi aspetti della cellula.
Il mitocondrio ha una struttura particolare: sono infatti presenti due membrane, una esterna e una interna. Dentro quest’ultima è presente la matrice, una specie di citosol dove avviene una serie di reazioni biochimiche note come ciclo di Krebs. Lo scopo di questo ciclo è di produrre molecole ridotte che, cedendo ioni H+ nello spazio tra le due membrane, porteranno alla produzione di ATP, con meccanismi che discuteremo in dettaglio successivamente.
I mitocondri posseggono anche un loro specifico DNA, detto mtDNA o DNA mitocondriale. È differente da quello della cellula e presenta più similarità con quello procariotico. I mitocondri di un individuo derivano tutti dai mitocondri originariamente presenti nella cellula uovo femminile, per cui il DNA mitocondriale è trasmesso interamente dalla madre.
Lisosoma
Il lisosoma è un organulo (quindi presente nelle cellule eucariotiche) che si occupa della demolizione di varie macromolecole che per differenti motivi non devono più essere presenti nella cellula: corpi estranei, prodotti di scarto di reazioni chimiche, organuli che hanno concluso il loro ciclo vitale o il loro compito. All’interno del lisosoma ci sono le idrolasi acide, enzimi che attraverso reazioni di idrolisi scindono in molecole più semplici le sostanze che devono essere demolite.
I lisosomi si formano a partire dall’apparato del Golgi, che li fornisce degli enzimi necessari. Dentro i lisosomi il pH è piuttosto acido (circa 4,8), e le idrolasi in essi contenuti possono lavorare solo in queste condizioni. In questo modo, in caso di rotture del lisosoma, il pH neutro della cellula impedisce che gli enzimi fuoriusciti provochino danni.
Perossisoma
Il perossisoma è un organulo che si trova in abbondanza nelle cellule epatiche (ma è presente anche in tutte le altre cellule eucariotiche, tranne nei globuli rossi). La sua funzione non è molto diversa da quella dei lisosomi: si occupa di demolire o trasformare molecole in altre dalle differenti proprietà biochimiche. Il meccanismo è però diverso: invece di usare le idrolasi acide, appositi enzimi producono perossido di idrogeno (H2O2, spesso detta acqua ossigenata) che ha un’alta reattività nei confronti delle sostanze con cui entra in contatto. Il perossido di idrogeno viene poi degradato in ossigeno e acqua da una classe di enzimi, le catalasi.
Nucleo
Il nucleo, presente solo negli eucarioti, è il distretto dove viene custodito il DNA, organizzato in strutture molto compatte, che formano la cromatina.
Il nucleo è racchiuso da una doppia membrana porosa, che è in diretto rapporto con il reticolo endoplasmatico. Una serie di pori su questa doppia membrana permettono la comunicazione tra interno ed esterno del nucleo.
Il materiale genetico, come accennato, è compattato nella cromatina, la sostanza che costituisce i cromosomi. La cromatina può essere di due tipi: l’eucromatina, meno densa, e l’eterocromatina, molto più compattata. Nella prima forma sono presenti le regioni del DNA che di volta in volta devono essere copiate in RNA messaggero per sintetizzare le proteine di cui la cellula ha bisogno.
Nel nucleo si può identificare una regione molto densa, il nucleolo, responsabile della sintesi dell’RNA ribosomiale, rRNA.
Parete cellulare
La parete cellulare è caratteristica solo di alcuni tipi di cellule: procarioti e, tra gli eucarioti, cellule vegetali e fungine. Anche se si parla sempre di parete cellulare, e la funzione in ogni caso è quella di garantire stabilità alla cellula, rendendola più robusta e meno incline a drastici cambi di forma, nelle tre classi di organismi in cui è presente questa è costituita da molecole diverse.
Nei batteri si caratterizzano due tipi principali di parete, identificabili in base a una reazione di colorazione, la reazione di Gram. Proprio in base a questo le specie batteriche vengono classificate in Gram-positivi e Gram-negativi. I gram+ hanno una parete molto spessa fatta per la maggior parte di mureina, un peptidoglicano (costituito cioè da amminoacidi e zuccheri), mentre nei gram– la mureina è molto meno e forma un solo strato, e il resto è costituito da una membrana esterna formata per lo più di fosfolipidi.
Nelle piante la parete cellulare è formata da tre strati, dall’esterno all’interno: lamella mediana, parete primaria e parete secondaria. Da un punto di vista chimico la struttura è basata sulla cellulosa, un polimero del glucosio, e su emicellulosa e pectine, anch’essi polimeri di zuccheri. Si trovano poi proteine che assolvono a numerose funzioni (simili in buona parte a quelle delle proteine di membrana) e acidi grassi.
Nei funghi la struttura non è molto diversa, ma il polimero principale non è la cellulosa ma la chitina, polimero dell’N-acetil-glucosammina.
Flagello
Il flagello è una struttura tipica di alcuni organismi monocellulari (sia procarioti che eucarioti) che si muovono in un mezzo acquoso. Grazie a questa struttura, possono muoversi direzionalmente, spesso verso fonti di cibo o verso altri organismi, che vengono captati con meccanismi chimici (chemiotassi). Un flagello, a seconda dell’organismo di appartenenza, può presentare una struttura anche molto complessa. Tuttavia, le sezioni di cui è composto sono solitamente tre: il filamento, che è la parte esterna che effettivamente si muove nel mezzo circostante; il gancio, che collega il filamento alla cellula; il corpo basale, inserito nella membrana e dotato delle proteine che portano al movimento dell’intera struttura.
