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Capitolo 3:
CELLULE PROCARIOTICA ED EUCARIOTICA
TEORIA CELLULARE
La teoria cellulare si basa su 3 principi:
- La cellula è l’unità di base dei viventi ;
- Tutti gli organismi viventi sono formati da cellule ;
- Ogni cellula deriva da una cellula preesistente (prima si pensava che gli organismi si generassero spontaneamente a partire da materia non vivente).
CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DELLA CELLULA
Una cellula è un’unità isolata dallo spazio circostante, dotata della capacità di autoreplicarsi. Ogni cellula possiede una membrana cellulare o plasmatica, che separa l’ambiente esterno (lo spazio extracellulare ) con quello interno della cellula ( il citoplasma ). La funzione principale della membrana è quella di controllare il passaggio di ioni e molecole dall’esterno all’interno, e viceversa. Tutte le membrane cellulari , sia quella plasmatica che quelle le quali avvolgono gli organelli citoplasmatici, sono formate da un doppio strato di molecole lipidiche (fosfolipidi in maggioranza, colesterolo e sfingolipidi). Tutte queste molecole sono antipatiche (cioè in parte solubili in soluzione acquosa) e impediscono a certe sostanze di diffondersi incontrollatamente nella membrana. Al doppio strato lipidico è associata una serie di proteine di membrana: ad esempio le proteine integrali di membrana , cioè le proteine che attraversano entrambe le parti della membrana e trasportano ioni o molecole che da sole non riuscirebbero a passare. Se una sostanza riesce ad attraversare la membrana liberamente si parla di trasporto passivo. Quando invece una sostanza riesce ad attraversare il doppio strato lipidico solo impiegando una certa quota di energia (sotto forma di ATP), si parla di trasporto attivo. Il citoplasma è una soluzione acquosa densa che riempie ogni cellula ed è contenuta dalla membrana plasmatica. Esso è costituito da: Acqua, Sali, una gran varietà di proteine e complessi macromolecolari e molecole solubili. Il citosol , che è la sola componente fluida del citoplasma e rappresenta il 50% della massa totale; Il citoscheletro , cioè un sistema di supporto che ne definisce l’organizzazione. Il diametro medio di una cellula animale è di 30/50 μm (micrometri) ma questo può variare in base alla complessità della specie in questione. Ad esempio i linfociti sono cellule piccolissime e hanno 10 μm di diametro.
CLASSIFICAZIONE DELLE CELLULE
Esistono due gruppi fondamentali di cellule: cellula procariotica ed eucariotica. Le cellule procariotiche sono ulteriormente classificabili in due tipologie: Gli archea batteri , cioè organismi in maggioranza unicellulari, che vivono in condizioni ambientali estreme (es. 80°); I batteri , sono quelli che vivono in ambienti come l’acqua, il suolo e in tutti gli organismi viventi, compreso l’uomo. I procarioti sono organismi semplici ed essenziali, all’interno dei quali non ci sono membrane e non c’è compartimentalizzazione, quindi non esistono regioni specifiche per ogni funzione. Le cellule eucariotiche sono le più evolute e costituiscono organismi uni o pluricellulari, come animali, piante, funghi ecc. questi organismi al loro interno sono compartimentalizzati, cioè hanno delle regioni e cellule specifiche per ogni funzione. DALLA CELLULA PROCARIOTICA A QUELLA EUCARIOTICA Le cellule procariotiche furono le prime ad apparire sulla Terra e quelle eucariotiche deriverebbero proprio da una cellula procariotica. Secondo la teoria endosimbiontica :
1. In una cellula procariotica si infiltrarono numerosi batteri aerobi che provocarono numerose invaginazioni della membrana plasmatica; 2. La cellula procariotica sviluppò un rapporto di simbiosi con la più piccola e da questo evento si crearono i mitocondri; 3. Da un secondo evento di endosimbiosi, questa volta con l’internalizzazione di un ciano batterio, si originarono i cloroplasti e di conseguenza la cellula eucariotica vegetale; 4. Dunque mitocondri e cloroplasti erano cellule procariotiche libere, con un proprio DNA batterico e una proprio membrana plasmatica. Da qui si spiegano le membrane degli organelli citoplasmatici all’interno delle cellule eucariotiche e la dimensione di mitocondri e cloroplasti riconducibili a quelle dei procarioti.
LA CELLULA PROCARIOTICA
Le cellule procariotiche (sempre unicellulari) sono le più semplici, le più piccole (1-10 μm di diametro) e possono avere una forma sferica, bastoncellare o a spirale. Queste cellule sono prive di nucleo infatti, il DNA, è posizionato in una regione specifica del citoplasma, detta nucleotide , dove sono presenti anche RNA e proteine. Il DNA batterico, si compatta con proteine strutturali e forma il cromosoma batterico , anche detto genoforo. Nel citoplasma non sono presenti organelli delimitati da membrana, ma sono presenti numerosi ribosomi e molecole solubili. Nonostante la visibile semplicità di queste cellule, esse riescono a svolgere importanti e complessi processi metabolici (sono in grado di vivere in ambienti più o meno ricchi di ossigeno, svolgono la fotosintesi ecc).
Il nucleo è racchiuso in due membrane che compongono l’involucro nucleare e, su questo involucro, ci sono dei pori nucleari , fondamentali per controllare il passaggio di molecole e di ioni all’interno del nucleo. All’interno del nucleo troviamo il nucleolo , cioè una struttura rotondeggiante nel quale, nella sintesi proteica, viene trascritto l’RNA ribosomiale. Successivamente all’involucro nucleare troviamo il reticolo endoplasmatico (RE), presente solo nelle cellule eucariotiche. Il RE svolge numerose funzioni quali: la produzione e il controllo – qualità delle proteine; la biosintesi dei lipidi e delle membrane biologiche; la detossificazione per le sostanze dannose alla cellula. Il reticolo endoplasmatico si divide in due membrane: Il RER, cioè reticolo endoplasmatico rugoso , adiacente all’involucro nucleare e chiamato rugoso perché sulla sua superficie sono presenti i ribosomi; Il REL, cioè reticolo endoplasmatico liscio , formato da una fitta rete di tubuli interconnessi nei quali avviene la sintesi lipidica. I ribosomi sono responsabili della sintesi proteica, cioè della traduzione del DNA (attraverso il codice genetico) in catene di aminoacidi: alcune catene polipeptidiche vengono sintetizzate da ribosomi liberi nel citoplasma mentre, altre categorie di proteine, vengono sintetizzate dai ribosomi associati al RER. Sono costituiti da due parti, una minore e una maggiore, e sono presenti sia nelle cellule procariotiche (più piccoli) sia in quelle eucariotiche. L’apparato del Golgi è un ampio organello citoplasmatico delle cellule eucariotiche, costituito da una serie di membrane che costituiscono delle cisterne appiattite e posizionate una sull’altra. Al suo interno si svolgono la maturazione e lo smistamento delle biomolecole (proteine, lipidi, vescicole secretorie ecc) necessarie alle funzioni cellulari. Da un punto di vista funzionale l’apparato del Golgi si divide in 3 parti: La parte cis o faccia d’ingresso è la parte che guarda verso il centro della cellula; La parte trans o faccia di maturazione è la parte che guarda verso il citoplasma; Nel mezzo tra cis e trans ci sono delle vescicole, dette vescicole intermedie. Le particelle di grosse dimensioni e le macromolecole entrano ed escono dalle cellule attraverso delle vescicole, tramite due processi: endocitosi e esocitosi. Il processo che permette l’entrata di proteine e altre sostanze nella cellula è l’endocitosi. Questa, prevede un ripiegamento verso l’interno della membrana che crea appunto una vescicola, contenente a sua volta una sostanza da trasportare, che viene successivamente rilasciata nel citoplasma. Esistono 3 tipi di endocitosi: Fagocitosi: quando la cellula ingloba particelle solide; Pinocitosi: quando la cellula ingloba goccioline di liquido; Endocitosi mediata da recettore: quando la molecola da trasportare si lega un recettore di membrana e in seguito, questo legame viene inglobato dalla vescicola.
Nell’esocitosi invece è il processo di espulsione di sostanze presenti nella cellula, nel quale le vescicole endocellulari migrano fino alla membrana e si fondono con essa, riversando il loro contenuto all’esterno. I lisosomi sono organelli che si originano nell’apparato del Golgi e, al loro interno è contenuto un gran numero di enzimi digestivi (idrolitici) chiusi in un sacchetto avvolto da una membrana. I lisosomi hanno un PH molto acido, quindi digeriscono sia le sostanze alimentari, sia i materiali cellulari di rifiuto e, inoltre, sono anche il centro di riciclaggio degli organuli danneggiati. I mitocondri sono organelli cellulari (somiglianti per la loro forma ai batteri) considerati come “le centrali elettriche” delle cellule. Sono responsabili infatti, della produzione di energia necessaria alla cellula per crescere e riprodursi. Queste reazioni, che nel loro insieme costituiscono il processo di “respirazione cellulare”, comportano il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica,quindi si produce ATP. Metabolismo ossidativo: il ciclo degli acidi tricarbossilici e la catena di trasporto degli elettroni Attraverso il metabolismo ossidativo viene prodotta la maggior parte di ATP usato dall’organismo. Il metabolismo ossidativo si compie attraverso le reazioni del Ciclo di Krebs, o Ciclo degli acidi tricarbossilici, o ciclo dell’acido citrico. Il Ciclo di Krebs è un processo metabolico utilizzato da tutti gli organismi aerobici per generare energia attraverso l’ossidazione di molecole di Acetil – CoenzimaA (proveniente dallo smaltimento di carboidrati, grassi e proteine) ad anidride carbonica. Negli eucarioti avviene nei mitocondri , mentre nei procarioti avviene nel citoplasma. L’energia viene prodotta tramite la fosforilazione di molecole di GTP (guanina trifosfato) e tramite la produzione di fattori riducenti NADH e FADH 2 , i quali cederanno gli elettroni acquisiti durante il Ciclo di Krebs alla catena di trasporto degli elettroni, grazie alla quale verranno prodotte numerose molecole di ATP (adenina trifosfato). Le 8 reazioni del Ciclo di Krebs si svolgono in modo ciclico e possono essere distinte in 2 fasi. Nella prima fase si parte da una molecola di Acetil – CoenzimaA che reagendo con l’Ossalacetato forma il Citrato, il quale dopo una serie di reazioni perde 2 atomi di carbonio sotto forma di anidride carbonica, trasformandosi in una forma attivata a 4 atomi di carbonio, il Succinil – CoA. Nella seconda parte del Ciclo di Krebs, il Succinil – CoA viene riconvertito in Ossalacetato, permettendo di ripetere la serie di reazioni chimiche.
Cellula vegetale Le cellule vegetali sono protette dalla parete cellulare, come funghi e batteri. Possono vivere in contatto con soluzioni molto diluite senza scoppiare, questo perché l’acqua raggiunge la cellula e la gonfia fino a un certo punto. La cellula, premendo contro la parete cellulare (forza di turgore) , a un certo punto arresta l’entrata d’acqua. Trasporto attraverso proteine di membrana Le sostanze come gli ioni e gli zuccheri non attraversano la membrana per diffusione semplice, infatti sono trasportate dalle proteine di membrana. Le proteine agiscono per: Diffusione facilitata , cioè secondo gradiente di concentrazione e mediante una proteina di trasporto; Trasporto attivo , nel quale le proteine di membrana (chiamate pompe) utilizzano l’energia ottenuta dall’idrolisi dell’ATP. Trasporto mediante vescicole Le particelle di grosse dimensioni e le macromolecole entrano ed escono dalle cellule attraverso delle vescicole, tramite due processi: endocitosi e esocitosi. L’endocitosi è il processo che permette l’entrata di queste sostanze e prevede un ripiegamento verso l’interno della membrana, che crea appunto la vescicola ; questa vescicola contiene una sostanza da trasportare che viene successivamente rilasciata nel citoplasma. Esistono 3 tipi di endocitosi: Fagocitosi: quando la cellula ingloba particelle solide; Pinocitosi: quando la cellula ingloba goccioline di liquido; Endocitosi mediata da recettore: quando la molecola da trasportare si lega un recettore di membrana e in seguito, questo legame viene inglobato dalla vescicola. Nell’esocitosi invece, è il processo di espulsione di queste sostanze, nel quale le vescicole endocellulari migrano fino alla membrana e si fondono con essa, riversando il loro contenuto all’esterno. COMUNICAZIONE TRA CELLULE Negli organismi pluricellulari le cellule comunicano tra loro per coordinare le attività. La comunicazione tra cellule è diversa se si parla di comunicazione tra cellule distanti o a stretto contatto. La comunicazione tra cellule distanti avviene attraverso messaggeri chimici trasportati dal sangue. Questi messaggeri raggiungono la cellula bersaglio legandosi a recettori presenti in superficie oppure tramite la membrana. Le cellule a stretto contatto comunicano direttamente tramite giunzioni di vario tipo. Le cellule animali che formano un tessuto non sono in contatto diretto tra loro, ma tra esse esiste uno spazio costituito dal tessuto epiteliale. Le cellule che formano questo tessuto sono unite saldamente tra loro in corrispondenza di giunzioni intercellulari: Giunzioni ancoranti o desmosomi : le strutture di questo tipo garantiscono continuità al tessuto epiteliale e un grado notevole di resistenza. I desmosomi sono un tipo di giunzioni adesive e sono particolarmente abbondanti nei tessuti sottoposti a stress. Giunzioni occludenti : formano una sorta di cintura e sono presenti negli epiteli di rivestimento di organi cavi, come ad esempio l’intestino.; sigillano gli spazi e impediscono il passaggio di materiali. Giunzioni comunicanti : sono caratterizzate dalla presenza di complessi proteici contenenti canali , inseriti nelle membrane cellulari delle cellule adiacenti; queste proteine - canale si mettono in contatto formando appunto dei canali che permettono il passaggio di ioni e piccole molecole (come ATP e amminoacidi). Sono presenti in particolare nei tessuti muscolare, nervoso e cardiaco.
