Le cellule sono le unità di base della vita. Esse sono i mattoni di cui sono costituiti tutti gli organi di ogni animale, pianta, fungo e batterio. Restando nella metafora architettonica, possiamo paragonare le cellule a delle case che contengono tutto il necessario per il proprio sostentamento. Andiamo a scoprire insieme le varie stanze di cui sono formate.
Riassunto della struttura cellulare in procarioti ed eucarioti
Le cellule possono essere divise in due categorie principali: procariote ed eucariote.
Il termine procariote si traduce approssimativamente dal greco come "senza nocciolo": i procarioti sono infatti sprovvisti di nucleo. I procarioti sono generalmente unicellulari, il che significa che i batteri, un esempio di organismi procarioti, sono costituiti da una sola cellula. Tuttavia, non tutti gli organismi unicellulari sono procarioti: il lievito, ad esempio, è unicellulare, ma la sua cellula è dotata di un nucleo, pertanto è eucariote. Inoltre, i procarioti sono dotati di due o tre rivestimenti esterni: la membrana plasmatica, la parete cellulare e una capsula esterna di rivestimento. I procarioti contengono spesso uno o più plasmidi, piccole molecole circolari contenenti DNA a doppio filamento formato da pochi geni. Infine, molti procarioti sono dotati esternamente di pili per l'adesione alle superfici e di un flagello per i movimenti.
Figura 1. Un esempio di cellula procariotica.
Il termine eucariote deriva dal greco e si traduce come "vero nucleo": gli eucarioti sono infatti provvisti di nucleo. A eccezione del lievito, gli eucarioti sono pluricellulari e possono essere costituiti anche da milioni di cellule. Gli esseri umani, ad esempio, sono eucarioti, così come le piante e gli animali. Rispetto ai procarioti, gli eucarioti sono complessi e contengono molte più strutture cellulari, come i lisosomi, l'apparato di Golgi e i mitocondri.
Figura 2. Un esempio di cellula eucariotica, in questo caso una cellula animale.
La tabella seguente mostra le somiglianze e le differenze tra procarioti ed eucarioti e fornisce una panoramica generale delle strutture cellulari di cui parleremo in questo articolo.
Tabella 1. Caratteristiche delle cellule procariote ed eucariote a confronto.
| Cellule procariote | Cellule eucariote |
Dimensioni | 1-2 μm | fino a 100 μm |
Compartimenti interni | No | I singoli organelli sono circondati da membrane |
DNA | Circolare, libero nel citoplasma, privo di istoni | Lineare, racchiuso nel nucleo, contiene istoni |
Membrana cellulare | Doppia membrana fosfolipidica | Doppia membrana fosfolipidica |
Parete cellulare | Sì | Sì |
Nucleo | No | Sì |
Reticolo endoplasmatico | No | Sì |
Apparato di Golgi | No | Sì |
Lisosomi e perossisomi | No | Sì |
Mitocondri | No | Sì |
Vacuoli | No | Alcuni |
Ribosomi | Sì | Sì |
Plastidi | No | Sì |
Plasmidi | Sì | No |
Flagelli | Alcuni | Alcuni |
Citoscheletro | Sì | Sì |
Organelli cellulari
Esistono molti organelli cellulari, la cui presenza o assenza dipende dal fatto che un organismo sia procariotico o eucariotico, dal tipo di cellula e dalla sua funzione.
Membrana cellulare
La membrana cellulare o membrana plasmatica separa il contenuto cellulare dall'ambiente circostante.
Sia le cellule eucariotiche che quelle procariotiche contengono membrane cellulari costituite da un doppio strato di fosfolipidi. I fosfolipidi sono formati da una testa e una coda; le teste sono idrofile (amano l'acqua) e sono rivolte verso il mezzo extracellulare, mentre le code sono idrofobe (non amano l'acqua) e sono rivolte verso l'interno.
Figura 3. Disposizione dei fosfolipidi nella membrana cellulare.
Se la membrana è composta da due doppi strati fosfolipidici, si parla di doppia membrana. La maggior parte degli organelli ha una membrana singola, tranne il nucleo e i mitocondri, che hanno una doppia membrana.
Le membrane cellulari presentano diverse proteine e glicoproteine (proteine legate agli zuccheri) incorporate nel doppio strato fosfolipidico. Queste proteine legate alla membrana hanno diverse funzioni, ad esempio facilitare la comunicazione con altre cellule (segnalazione cellulare) o permettere a sostanze specifiche di entrare o uscire dalla cellula.
La segnalazione cellulare è il trasporto di informazioni dalla superficie della cellula al nucleo per consentire la comunicazione tra diverse cellule e tra la cellula e l'ambiente circostante.
Indipendentemente dalle differenze strutturali, tutte le membrane permettono la compartimentazione, separando i singoli contenuti dal resto della cellula. Possiamo paragonare la compartimentazione alle pareti di una casa che separano l'interno dell'abitazione dall'ambiente esterno, ma anche le varie stanze tra di loro.
Citosol
Il citosol è un liquido gelatinoso che si trova all'interno della cellula e supporta la funzione di tutti gli organelli.
Il citosol è composto da acqua, ioni, piccole molecole (ATP, zuccheri e amminoacidi), proteine ed enzimi (proteine che catalizzano una reazione chimica). Nel citosol avvengono diversi processi, come la traduzione dell'RNA in proteine, nota anche come sintesi proteica.
Il citoplasma è l'intero contenuto della cellula, compresi il citosol e gli organelli.
L'interno delle cellule eucariote è piuttosto affollato: circa la metà del citoplasma è occupato da organelli.
Ciglia e flagelli
I flagelli sono strutture lunghe e sottili utilizzate per il movimento.
I flagelli sono presenti sia nelle cellule procariotiche che in quelle eucariotiche, ma con una struttura molecolare diversa.
Classico esempio di cellula con un unico flagello è lo spermatozoo.
Figura 5. Uno spermatozoo che si avvicina a una cellula uovo.
I flagelli degli eucarioti si originano dal corpo basale e sono costituiti da microtubuli con tubulina, una proteina strutturale. Questi tipi di flagelli utilizzano l'ATP per muoversi in avanti e indietro con un movimento simile a una frusta. Possono essere facilmente confusi con le ciglia, in quanto vi assomigliano per struttura e movimento.
Il flagello nei procarioti, spesso chiamato anche "uncino", è racchiuso dalla membrana della cellula e contiene la proteina flagellina. A differenza del flagello eucariotico, il movimento di questo tipo di flagello è più simile a quello di un'elica: si muove in senso orario e antiorario. Inoltre, l'ATP non viene utilizzato per il movimento; piuttosto, il movimento è generato da una forza protono-motrice (movimento dei protoni lungo il gradiente elettrochimico) o dalla differenza dei gradienti ionici.
Le ciglia sono strutture brevi e sottili presenti in grande numero sulla superficie di molti tipi di cellule.
Le ciglia hanno molteplici funzioni, come quella di far aderire la cellula a una superficie nel caso dei batteri o, come negli organi respiratori dei mammiferi, quella di spingere il muco verso la gola.
Le piante con fiori sono un esempio di eucarioti privi di ciglia e flagelli.
Ribosomi
I ribosomi sono piccole strutture costituite da proteine e RNA che hanno il compito di assemblare gli amminoacidi durante la sintesi proteica.
I ribosomi si trovano nel citosol, nei mitocondri o legati al reticolo endoplasmatico ruvido e sono costituiti da due subunità, una grande e una piccola. I ribosomi dei procarioti e degli eucarioti hanno dimensioni diverse: i procarioti hanno ribosomi 70S, più piccoli, e gli eucarioti 80S, più grandi.
70S e 80S sono termini riferiti al coefficiente di sedimentazione dei ribosomi, un indicatore delle dimensioni dei ribosomi.
Figura 7. Ribosoma durante la trascrizione.
Struttura della cellula eucariotica (animale e vegetale)
La struttura delle cellule eucariotiche è molto più complessa che in quelle procariotiche. Uno dei motivi è il fatto che i procarioti sono unicellulari, quindi non possono "creare" strutture specializzate. Nel corpo umano, invece, le cellule eucariotiche formano tessuti, organi e sistemi di organi (ad esempio il sistema cardiovascolare) con strutture e funzioni estremamente variegate. In questo paragrafo esaminiamo alcune strutture esclusive delle cellule eucariotiche.
Nucleo e nucleolo
Il nucleo è un organello sferico che contiene la maggior parte del materiale genetico della cellula e ha una doppia membrana propria, chiamata membrana nucleare.
Nel nucleo troviamo una sostanza gelatinosa chiamata nucleoplasma.
La membrana nucleare è ricoperta di ribosomi e presenta pori nucleari. Diversamente da quanto accade nelle cellule procariotiche, la maggior parte del materiale genetico della cellula eucariotica è immagazzinato nel nucleo sotto forma di cromatina. La cromatina è una struttura in cui speciali proteine chiamate istoni impacchettano i lunghi filamenti di DNA per adattarli alla struttura del nucleo. All'interno del nucleo si trova un'altra struttura chiamata nucleolo che sintetizza l'rRNA e assembla i ribosomi, entrambi necessari per la sintesi delle proteine.
Mitocondri
I mitocondri sono organelli circondati da una doppia membrana e operano come le "centrali energetiche" della cellula, poiché producono ATP a partire da ADP.
L'ATP è la fonte di energia dell'organismo ed è essenziale per il funzionamento di tutti gli organi. Ad esempio, tutti i movimenti muscolari richiedono ATP.
Nei mitocondri avviene il processo di respirazione cellulare. Inoltre, i mitocondri sono uno dei pochi organelli cellulari a possedere un proprio materiale genetico, il DNA mitocondriale.
I cloroplasti delle piante sono un altro esempio di organello con un proprio DNA.
Reticolo endoplasmatico (RE)
Il reticolo endoplasmatico è un sistema di membrane, canali e cavità.
Esistono due tipi di reticolo endoplasmatico: il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) e il reticolo endoplasmatico liscio (REL).
Il reticolo endoplasmatico ruvido (RER) ha attaccati dei ribosomi ed è direttamente collegato alla membrana nucleare.
Il RER è responsabile della sintesi di tutte le proteine e del loro impacchettamento in vescicole che vengono poi trasportate all'apparato di Golgi per un'ulteriore elaborazione. Per la sintesi delle proteine sono necessari i ribosomi, che conferiscono al RER un aspetto grezzo.
Il reticolo endoplasmatico liscio (REL) non ha ribosomi attaccati ed è collegato al RER.
Il REL sintetizza diversi grassi, immagazzina il calcio e rende innocue alcune sostanze dannose, come l'etanolo dell'alcol. Non avendo ribosomi, ha un aspetto più liscio del RER.
Figura 10. Il sistema di endomembrane della cellula eucariotica.
Apparato di Golgi
L'apparato di Golgi è un sistema di vescicole che si occupa di trasformare, imballare e distribuire varie molecole, in particolare proteine.
Questo organulo si piega intorno al RER da un lato (detto lato cis), mentre l'altro lato (lato trans) è rivolto verso l'interno della membrana cellulare. L'apparato di Golgi riceve le vescicole dal reticolo endoplasmatico, elabora le proteine e le impacchetta per trasportarle fuori dalla cellula per altri usi. Inoltre, sintetizza i lisosomi caricandoli di enzimi. Nelle piante, l'apparato di Golgi sintetizza anche le pareti cellulari di cellulosa.
Lisosomi
I lisosomi sono organelli legati alla membrana che contengono enzimi digestivi specifici chiamati lisozimi.
Grazie agli enzimi, i lisosomi scompongono tutte le macromolecole indesiderate che vengono poi riciclate in nuove molecole. Ad esempio, una grande proteina viene scomposta per idrolisi nei suoi aminoacidi, che possono poi essere riassemblati in una nuova proteina.
Citoscheletro
Il citoscheletro può essere considerato come la struttura ossea delle cellule, poiché dà alla cellula la sua forma, le impedisce di ripiegarsi su se stessa e fissa gli organelli al suo interno.
Il citoscheletro è costituito da diversi filamenti proteici: grandi microtubuli, filamenti intermedi e filamenti di actina; questi ultimi sono i più piccoli.
Struttura della cellula eucariotica vegetale
Le cellule vegetali sono cellule eucariotiche come le cellule animali, ma hanno organuli specifici che vengono elencati di seguito.
Figura 12. Struttura della cellula vegetale.
Vacuoli
I vacuoli sono grandi cavità permanenti presenti soprattutto nelle cellule vegetali e contenenti acqua e soluti.
Il vacuolo costituisce circa il 90% del volume della cellula vegetale.
Nel vacuolo di una pianta si trova immagazzinata la linfa cellulare isotonica. Questo fluido crea pressione e permette così di sostenere la cellula. Inoltre, contiene gli enzimi che digeriscono i cloroplasti nelle cellule del mesofillo.
Anche le cellule animali hanno i vacuoli, ma sono molto più piccoli e hanno una funzione diversa: aiutano a catturare i materiali di scarto.
Cloroplasti
La clorofilla è un pigmento responsabile del colore verde tipicamente associato alle foglie. La clorofilla è fondamentale per il processo di fotosintesi.
I cloroplasti sono presenti nelle cellule del mesofillo delle foglie e sono formati da un elaborato sistema di membrane. Essi contengono dei sacchetti, chiamati tilacoidi, i quali sono impilati a formare grani e si trovano immersi nello stroma, una sostanza gelatinosa. Come i mitocondri, anche i cloroplasti hanno un proprio DNA, chiamato DNA cloroplastico.
Figura 13. Struttura di un cloroplasto.
Parete cellulare
La parete cellulare è una struttura rigida che circonda la membrana cellulare e, nelle piante, è costituita da un materiale molto robusto chiamato cellulosa.
La parete cellulare impedisce alle cellule di scoppiare quando contengono molta acqua, le rende più rigide e conferisce loro una forma allungata a rettangolo.
È importante notare che anche molti procarioti hanno una parete cellulare; tuttavia, la parete cellulare procariotica è costituita da una sostanza diversa chiamata peptidoglicano (mureina). Anche i funghi ce l'hanno, ma la loro è fatta di chitina.
Struttura cellulare procariotica
I procarioti, come i batteri, sono molto più semplici nella struttura e nella funzione rispetto agli eucarioti. Ecco di seguito alcune caratteristiche di questi tipi di cellule.
Plasmidi
I plasmidi sono anelli di DNA a doppio filamento formati da pochi geni.
Nei batteri, i plasmidi sono separati dal resto del DNA cromosomico e possono essere trasferiti in altri batteri per condividere informazioni genetiche. I plasmidi sono spesso all'origine dei vantaggi genetici dei batteri, come la resistenza agli antibiotici.
Resistenza agli antibiotici significa che i batteri sopravvivono agli antibiotici. Se in un gruppo di batteri un unico batterio con questo vantaggio genetico sopravvive all'antibiotico, questo sopravvissuto inizia a riprodursi ad alta velocità, formando una nuova popolazione resistente. Tanto è maggiore l'uso di antibiotici, tanto più i batteri si abituano a essi e sviluppano delle strategie per sopravvivere. Per questo motivo è essenziale che le persone che assumono antibiotici portino a termine il loro ciclo e che assumano gli antibiotici solo quando necessario.
I vaccini sono un altro buon modo per ridurre il rischio di resistenza agli antibiotici nella popolazione. Se un numero minore di persone viene infettato grazie al fatto di aver ricevuto il vaccino, verranno assunti meno antibiotici per combattere la malattia e quindi diminuirà il rischio che i batteri sviluppino delle resistenze.
Capsula
La capsula è un involucro esterno solitamente presente nei batteri e composto da polisaccaridi (zuccheri).
Il suo strato esterno appiccicoso impedisce alla cellula di seccarsi e la aiuta a unirsi ad altre cellule batteriche e ad aderire alle superfici.
Struttura cellulare - Punti chiave
- Le cellule sono la più piccola unità della vita.
- Le principali differenze nella struttura sono tra cellule eucariotiche e cellule procariotiche. Le prime sono più complesse, mentre le seconde sono più semplici e contengono molti meno organelli e non hanno un nucleo.
- Le strutture e gli organelli comuni a tutte le cellule sono la membrana cellulare di rivestimento, il citosol, una sostanza gelatinosa che supporta gli organelli, ciglia e flagelli per il movimento e l'adesione alle superfici e i ribosomi, che assemblano gli amminoacidi durante la sintesi proteica.
- Gli organelli tipici della cellula eucariota (animale e vegetale) sono il nucleo, che contiene il DNA, i mitocondri, che producono ATP, il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi, sistemi di membrane e vescicole con funzione di immagazzinamento e impacchettamento, i lisosomi, che scompongono le macromolecole, e il citoscheletro, una sorta di struttura ossea della cellula.
- Gli organelli tipici della cellula vegetale (eucariota) sono i vacuoli, cavità contenenti acqua e soluti, i cloroplasti, in cui avviene la fotosintesi clorofilliana, e la parete cellulare, una struttura di rivestimento e sostegno rigida.
- Gli organelli tipici della cellula procariota (ad esempio i batteri) sono i plasmidi, anelli di DNA formati da pochi geni, e la capsula, un involucro esterno composto da polisaccaridi.
References
- Fig. 3 - Cell membrane detailed diagram (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cell_membrane_detailed_diagram_4.svg), Author Dhatfield is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en), translated into Italian and edited by StudySmarter
- Fig. 7 - Ribosoma en una síntesi proteica (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_ca.svg), Author Jmarchn is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)
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