Le attività vitali che si svolgono all’interno delle cellule sono il risultato delle interazioni fisico-chimiche tra le molecole biologiche (glucidi, protidi, lipidi, acidi nucleici, vitamine … ).
Le molecole sono organizzate in ultrastrutture complesse che partecipano alle interazioni con le altre molecole determinando in definitiva le funzioni cellulari.
La cellula è l’unità fondamentale della vita, ovvero è la più puccola unità di vita.
Teoria cellulare
Le osservazioni fatte in oltre 300 anni di studi su tessuti prelevati da organismi animali e vegetali ha fatto sorgere l’idea che gli esseri viventi fossero costituiti da unità fondamentali: le cellule.
La teoria cellulare dice che tutti gli esseri viventi hanno una caratteristica comune: sono costituite da cellule. Non esistono pertanto forme di vita che non presetino una struttura cellulare.
La cellula è sede costante e intensa attività chimica e fisica, da cui dipende la vita.
Le funzioni cellulari avvengono allo stesso modo in tutte le cellule, a prescindere dall’essere vivente a cui appartengano.
TEORIA CELLULARE
Tutti gli esseri viventi
hanno una struttura comune:
la cellula
Unicellulari e pluricellulari
Da un punto di vista dell’organizzazione macrocellulare, gli organismi si dividono in unicellulari, costituiti cioè da una sola cellula e in pluricellulari, costituiti dall’aggregazione funzionale di più cellule.
Sono pertanto:
- organismi unicellulari: batteri, alcune alghe, lieviti, protozoi…
- organismi pluricellulari: molte alghe, muschi, alberi, insetti, animali…
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L’importanza delle piccole dimensioni
Il motivo per cui le cellule sono strutture così piccole è da ricercare nel fatto che esse sfruttano ampiamente il fenomeno di trasporto passivo della diffusione per spostare le molecole da un punto all’altro all’interno della cellula, per assorbire o espellere sostanze.
La velocità di diffusione è un processo assai lento che se fosse svolto da una cellula di grandi dimensioni, non riuscirebbe a “tenere il passo” con la velocità delle reazioni biochimiche che avvengono nell’ordine delle migliaia al secondo.
Una cellula di grandi dimensioni, disponendo di una superficie di membrane molto più spessa e lunga, avrebbe tempi di diffusione troppo lunghi rispetto alla velocità delle reazioni biochimiche e ciò porterebbe al suo soffocamento o avvelenamento.
Cosa vedere al microscopio ottico
Al microscopio ottico, capace di ingrandire solo alcune centinaia di volte, è possibile individuare solo alcune strutture cellulari:
- la membrana cellulare – il perimetro della cellula;
- il citoplasma – il liquido fluido e gelatinoso in cui si trovano immerse le parti interne della cellula;
- il nucleo – lo spazio circoscritto più interno della cellula che contiene i cromosomi;
- alcuni organuli cellulari
Cosa vedere al microscopio elettronico
Al microscopio elettronico, capace di ingrandire alcune migliaia di volte, è possibile individuare altre parti della cellula – le ultrastrutture – , evidenziando ancora di più, rispetto al microscopio ottico, la complessità della struttura.
E’ a livello ultrastrutturale che si svolgono, in modo indipendente ma coordinato, le funzioni più elementari della vita cellulare.
Sono visibili al microscopio elettronico le seguenti parti della cellula:
Comuni a tutte le cellule
- il reticolo endoplasmatico;
- i ribosomi;
- il complesso del Golgi;
- i mitocondri;
- le ciglia;
- i flagelli.
Specifici della cellula animale
- i centrioli
- i lisosomi
Specifici della cellula vegetale
- la parete cellulare
- i plastidi
- i vacuoli
Sistema di membrane
Una delle caratteristiche fondamentali della struttura cellulare è l’esistenza di numerosi organuli organizzati in membrane (membrana plasmatica, reticolo endoplasmatico, complesso del Golgi, mitocondri, plastidi, lisosomi…).
L’enorma sviluppo delle membrane costituite di lipidi e proteine e la suddivisione della cellula in compartimenti più o meno indipendenti dove si svolgono funzioni specializzate, dimostrano come le membrane oltre ad essere una barriera selettiva tra gli ambienti lavorano in sincronia per mantenere l’efficiente funzionalità della cellula, fondamentale per la sua esistenza.
Membrana cellulare
La membrana cellulare o membrana plasmatica è il confine fisico e chimico tra l’ambiente interno e l’ambiente esterno della cellula.
- Dal punto di vista chimico la membrana cellulare è costituita da protidi e lipidi.
- Al microscopio elettronico la membrana cellulare appare costituita di tre strati.
Barriera selettiva
La membrana cellulare trattiene all’interno dell’ambiente che delimita la quantità di acqua, sali minerali e sostanze organiche necessaria a mantenere la vita cellulare.
Questo perimetro tuttavia non è rigido e chiuso in senso assoluto, ma è capace di far entrare o far uscire solo determinate sostanze nel rispetto dell’equilibrio cellulare generale.
La membrana cellulare è pertanto una barriera selettiva semipermeabile.
Attraversano facilmente la membrana cellulare alcune sostanze costituite da piccole molecole:
- ossigeno
- acqua;
- anidride carbonica;
- glucosio;
- molecole elettricamente neutre;
- composti liposolubili.
** il passaggio di queste sostanze è regolato dalle leggi fisiche della diffusione.
Attraversano difficilmente la membrana cellulare:
- ioni
Non attraversano affatto la membrana cellulare:
- proteine
I vincoli di passaggio della membrana cellulare sono dovuti a:
- dimensioni delle molecole;
- tipologia di carica elettrica;
- liposolubilità;
- condizioni fisiologiche e metaboliche della cellula in quel determinato momento.
Citoplasma
Il citoplasma è tutto il materiale che sta all’interno della membrana cellulare, ma al di fuori del nucleo. Il citoplasma è l’ambiente interno della cellula.
Al microscopio ottico il citoplasma appare come un sistema omogeneo, la matrice citoplasmatica, che presenta delle fasi morfologicamente definite, gli organuli cellulari e varie inclusioni (lipidi, granuli di glicogeno…).
Il citoplasma è composto essenzialmente di:
- acqua
- enzimi
- ioni vari
- aminoacidi
- glucosio
- acidi grassi
- glicerina (componente lipidico)
Reticolo endoplasmatico
Il reticolo endoplasmatico è un complesso sistema di membrane articolato in cavità di varia tipologia (tubili e cisterne) che si estende per quasi tutto il citoplasma.
Questo complesso di membrane è in collegamento con la membrana cellulare e la membrana nucleare.
Per svolgere tali funzioni la superficie del reticolo è costellata di ribosomi, centrali di sintesi proteica e di enzimi che servono appunto a catalizzare le operazioni.
Funzioni del reticolo endoplasmatico:
Sintesi
- sintesi delle proteine,
- sintesi di lipidi,
- sintesi di steroli (composti lipidici),
Rimaneggiamento
- rimaneggiamento delle proteine,
- rimaneggiamento delle membrane della cellula,
Accumulo / Espulsione/ Distribuzione
- funzione di accumulo, sia di sostanze di sintesi dalla cellula sia di sostanze esterne,
- funzione di espulsione, sia di sostanze di sintesi dalla cellula sia di sostanze esterne,
- rete di distribuzione per la rapida diffusione di ioni o altre sostanze.
RETICOLO ENDOPLASMATICO
Sintesi proteica
Ribosomi
I ribosomi sono piccoli organuli cellulari, non visibili al microscopio ottico, che appaiono scuri al microscopio elettronico. Si trovano spesso addossati al reticolo endoplasmatico, ma si possono trovare anche liberi nel citoplasma.
I ribosomi sono composti di molecole di RNA ribosomiale e proteine. La loro funzione è essere sede di sintesi delle proteine.
Come avviene la sintesi proteica
Complesso del Golgi
Il complesso del Golgi è un altro sistema di membrane, indipendente stavolta dal reticolo endoplasmatico e della membrana cellulare, che presenta anch’esso un sistema di cisterne sovrapposte, vescicole e lacune.
Il complesso del Golgi è tipico delle cellule eucarioti, abbondante nelle cellule secernenti delle ghiandole ed ha il compito di modificare, smistare e indirizzare molecole organiche come lipidi e proteine.
Le vescicole sono in grado di spostasi nel citoplasma e di fondersi con la membrana cellulare, liberando all’esterno il loro contenuto.
Mitocondri
I mitocondi sono corpuscoli di forma allungata che al microscopio elettroncio che appaiono costituiti da una doppia membrana: quella più interna che si introflette formando delle creste che si protraggono all’interno dell’organulo, mentre quella esterna che fa barriera perimetrale.
Il numero di mitocondri varia a seconda del tipo di cellula che si prende in considerazione.
I mitocondri sono maggiori nelle cellule che hanno maggior bisogno di energia, come cellule muscolari o cardiache.
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Nei mitocondri sono presenti molti enzimi respiratori e una sostanza ricca di energia, l’ATP. Questi elementi hanno un ruolo importante nei meccanismi energetici che avvengono durante la respirazione cellulare.
Utilizzando l’ossigeno che arriva alle cellule nei mitocondri, avviene la demolizione delle molecole energetiche (in particolare glucosio) e l’energia che si libera viene utilizzata per le varie attività cellulari.
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I mitocondri sono dunque considerati le centrali energetiche delle cellule.
Nei mitocondri sono stati inoltre rinvenuti piccole tracce di acidi nucleici (DNA e RNA) e questo ha fatto supporre che in origine i mitocondri fossero organismi unicellulari liberi, simili ai batteri, con un metabolismo altamente energetico.
Essi sarebbero stati poi incorporati dalle cellule come simbionti permanenti (simbionte è un microorganismo che condivide la propria vita con un altro), dei quali sfruttavano la produzione di energia e ai quali fornivano i materiali substrati delle reazioni.
Nucleo
Il nucleo è la struttura intracellulare che maggiormente si nota osservando una cellula al microscopio ottico.
Il nucleo è nettamente separato dal citoplasma da una doppia membrana, la membrana nucleare.
Al microscopio elettronico la membrana cellulare è costituita di piccoli pori che sono le vie di comunicazione e di scambio tra nucleo e citoplasma.
Nel nucleo si trova una sostanza fluida, il nucleoplasma, all’interno della quale vi è un intreccio di filamenti di DNA che nel loro complesso formano la cromatina.
Nucleo cellulare ≠ Nucleo atomico
Il DNA è la sostanza in cui è contenuto il codice genetico per la trasmissione dei caratteri ereditari dalla cellula madre alla cellula figlia.
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Durante la divisione cellulare, la cromatina assume l’aspetto di formazioni a bastoncino, note come cromosomi.
Il nucleo contiene anche l’altro acido nucleico, l’RNA. L’informazione genetica per la sintesi delle proteine viene infatti trasferita dal nucleo al citoplasma attraverso molecole di RNA m (RNA messaggero).
All’interno del nucleo si trovano uno o più organuli, detti nuceloli, che durante la divisione cellulare non sono più visibili. I nuceloli sono responsabili della sintesi dell’RNA ribosomiale e dei ribosomi
Dal punto di vista chimico il nucleolo è costituito da DNA, RNA e proteine.
Parti del nucleo
- Membrana nucleare
- Nucleoli
- Cromatina
- Ribosomi
Poiché l’asportazione del nucleo arresta tutte le attività cellulari, e ciò provoca la morte della cellula, si ritiene che in esso risieda veramente la sorgente di tutte le informazioni che ne regolano la vita.
Il nucelo, quindi, svolge due funzioni importanti:
- controlla tutte le attività cellulari determinando quali molecole proteiche devono essere sintetizzate da una cellula e quando;
- è il depositario dell’informazione genetica e la trasmette alle cellule figlie durante la divisione cellulare.
Ciglia e flagelli
Ciglia e flagelli sono strutture filiformi che negli organismi unicellulari provocano con il loro movimento lo spostamento dell’intero organismo.
I flagelli negli spermatozoi
I flagelli sono presenti anche in particolari cellule animali, come le cellule sessuali maschili, gli spermatozoi, grazie ai quali possono raggiungere la cellula femminile per fecondarla.
Le ciglia nella trachea
Le cellule che rivestono la trachea sono invece dotate di ciglia e con il loro movimento respingono eventuali particelle solide presenti nell’aria inspirata.
Le ciglia e i flagelli sono ancorati alla superficie delle cellule tramite microtubuli proteici.
Centriolo
Il centriolo è un’ultrastruttura specifica della cellula animale che al microscopio elettronico appare come un cilindro cavo costituito da gruppi di microtubuli proteici, disposti su di una circonferenza e paralleli all’asse del cilindro. I centrioli svolgono la funzione di originare il fuso mitotico durante la divisione cellulare.
Il fuso permette l’esatta spartizione dei cromosomi tra le cellule figlie.
Lisosomi
I lisosomi sono ultrastrutture cellulari animali di forma sferica, tipici delle cellule animali, circondate da una membrana e contenenti enzimi digestivi capaci di provocare la demolizione idrolitica delle grosse molecole che si trovano nella cellula.
I lisosomi distruggono quindi il materiale estraneo eventualmente inglobato (come batteri o virus) e altri organuli cellulari non più necessari o vecchi. I prodotti di questa digestione vengono in parte riutilizzati oppure espulsi.
I lisosomi sono presenti in tutte le cellule, ma si trovano maggiormente nelle cellule impiegate nella difesa dell’organismo da agenti patogeni, come i globuli bianchi ed in quelle deputate al ricambio dei globuli rossi nel sangue.
Parete cellulare
La struttura esterna alla membrana cellulare, presente soltanto nelle cellule vegetali e costituita prevalentemente di cellulosa, è la parete cellulare.
La parete cellulare oltre a proteggere la cellula, costituisce un supporto rigido e conferisce alla cellula una determinata forma che mantiene anche dopo la morte della cellula.
La parete cellulare ha una impermeabilità selettiva, grazie alla presenza di numerosi pori.
Plastidi
I plastidi sono organuli tipici della cellula vegetale.
Tra di essi i più importanti sono i cloroplasti, che contengono il pigmento verde della clorofilla.
I cloroplasti all’osservazione con microscopio elettronico, appaiono costituiti da una doppia membrana . Al loro interno si trova una struttura lamellare con una serie di saccuoli appiattiti e impilati, detti grana, che sono connessi tra loro. I grana sono immersi in una sostanza fluida che si chiama stroma.
Ai grana è associata la clorfilla, il pigmento verde in grado di utilizzare l’energia luminosa e di convertirla in energia chimica, immagazzinandola nei legami delle sostanze organiche prodotte durante il processo fotosintetico.
Vacuoli
I vacuoli, altri organuli cellulari tipici dei vegetali, sono circondati da una membrana, il tonoplasto.
I vacuoli si trovano numerosi nelle cellule giovani dove, ingrandendosi si fondono tra loro fino a formare un unico grande vacuolo.
All’interno dei vacuoli si trova in gran parte acqua in cui sono disciolti ioni, glucidi, pigmenti…
I vacuoli contribuiscono a mantenere turgida la cellula.
I vacuoli nelle cellule animali
Anche nelle cellule animali si trovano strutture vacuolari, in cui vengono accumulati prodotti di secrezione. Queste strutture tuttavia, a differenza dei vacuoli vegetali, non sono permanenti.
CELLULA ANIMALE
CELLULA VEGETALE
