Biologia (7/10): La cellula

Lo studio delle cellule è reso possibile dal microscopio.
Esistono microscopi ottici, che riescono ad ingrandire gli oggetti tramite la luce fino a 0,2 micrometri.
Esistono poi microscopi elettronici EM, dove il campione viene attraversato o colpito in superficie da un fascio di elettroni al posto della luce, raggiungendo una risoluzione di 2 nanometri, circa 1000 volte superiore a quella del microscopio ottico.
Esistono 2 tipi diversi di microscopi elettronici, a trasmissione TEM e a scansione SEM.
Con il TEM i biologi cellulari osservano l'ultrastruttura interna della cellula, mentre il SEM viene utilizzato per studi dettagliati della superficie di un campione.
I microscopi elettronici rivelano la presenza di molti organuli non visibili con quello ottico, tuttavia c'è il rischio che i metodi elettronici uccidano le cellule o inseriscano artefatti, quindi per questo motivo per le cellule vive è preferibile usare il microscopio ottico (anche se pure lui può aggiungere artefatti inesistenti nella realtà).
La citologia si occupa dello studio della struttura cellulare, mentre la biochimica si occupa dello studio delle molecole e dei processi metabolici.

Tramite il frazionamento cellulare i biologi sono in grado di isolare singoli organuli per studiarne le funzioni.
Il frazionamento è usato tramite centrifuga, grazie ad apparecchi chiamati ultracentrifughe, che rompono la cellula senza danneggiarne gli organuli, e permette di ottenere specifici componenti cellulari in quantità tali da poterne studiare sia la composizione che il funzionamento.

Visione panoramica della cellula

Ogni organismo è costituito o da cellule procariotiche o da cellule eucariotiche.
Tutte le cellule sono delimitate dalla membrana plasmatica, che contiene il citosol, in cui sono immersi vari organuli, inoltre tutte le cellule contengono cromosomi e ribosomi.
La membrana plasmatica funziona da barriera selettiva che regola il passaggio di ossigeno e nutrimenti, e l'eliminazione delle scorie.
La differenza principale tra la cellula procariotica e quella eucariotica è relativa all'organizzazione interna.
I cromosomi della eucariotica sono dentro il nucleo delimitato da membrana, mentre nella procariotica il DNA è concentrato nel nucleoide, assente di membrana separatrice tra esso e il resto della cellula.
La regione che va dal nucleo e la membrana plasmatica è detta citoplasma, dove all'interno di esso, nella eucariotica, ci sono numerosi organuli con membrana, di varie forme e funzioni, non presenti nella procariotica.
Le eucariotiche sono di solito quelle più grandi, e gli organismi più grandi di solito non hanno cellule più grandi, ma un maggior numero di esse.
La presenza di membrane interne suddivide in comparti la cellula eucariota e ne divide le attività funzionali, ed ognuna di queste membrane ha una precisa composizione in relazione alla funzione da svolgere.

Nucleo e ribosomi

Sono 2 organuli coinvolti nel controllo genetico: il nucleo contiene la maggior parte del DNA (nelle cellule eucariotiche) ed è di solito l'organulo più grosso, mentre i ribosomi utilizzano le informazioni presenti nel DNA per sintetizzare le proteine.
Il nucleo è separato dal citoplasma da un involucro nucleare formato da una doppia membrana.
Questo involucro è perforato da pori dove si fondono la membrana esterna ed interna, e ciò (complesso del poro orla) regola l'ingresso e l'uscita delle macromolecole e delle particelle.
A parte in prossimità di questi pori, il versante nucleare dell'involucro è delimitato da una lamina nuclerare, che contribuisce a mantenere la forma del nucleo.
All'interno del nucleo, il DNA associato a molecole proteiche, forma un materiale fibroso detto cromatina, che quando una cellula si sta per dividere, si ispessice diventando una struttura singola detta cromosoma.
Ogni eurariotico è caratterizzato da un particolare numero di cromosomi, 46 nella cellula umana, ad eccezione delle cellule germinali (uovo e spermatozoi) che ne possiedono solo 23.
Nel nucleolo l'RNA ribosomiale viene sintetizzato ed unito a proteine provenienti dal citoplasma, formando subunità di ribosomi, che vengono mandate nel citoplasma attraverso i pori nucleari, dove diventano ribosomi.
Il nucleolo dirige la sintesi proteica sintetizzando l'mRNA inviato poi tramite i pori al citoplasma, dove i ribosomi traducono il messaggio del DNA nella struttura primaria di un polipeptide.
I ribosomi, particelle costituite da RNA ribosomiale e proteine, sono gli organuli che provvedono alla sintesi proteica, dove ogni ribosoma è composto da 2 subunità (una maggiore ed una minore).
Le cellule caratterizzate da un'intensa attività biosintetica possiedono un numero particolarmente elevato di ribosomi.
Ci sono 2 tipi di ribosomi, dalla struttura identica, ma dalla locazione e dalla funzione solitamente diversa: i ribosomi liberi che sono quelli sospesi nel citosol, e i ribosomi legati che sono uniti alla parete esterna del reticolo endoplasmatico o dell'involucro nucleare.
Di solito i ribosomi liberi producono proteine utilizzate dalla cellula stessa (enzimi), mentre quelli legati producono proteine per membrane cellulari o destinate all'esportazione (lisosomi).

Il sistema endomembranoso

Il sistema endomembranoso racchiude molte delle differenti membrane che caratterizzano le cellule eucariotiche, membrane collegate tramite contatti fisici o tramite meccanismi di trasfermimento di segmenti di membrane sotto forma di minuscole vescicole (strutture sferoidali rivestite di membrana).
Le varie membrane possono avere diversa struttura e funzione, e il loro spessore ed attività possono modificarsi durante il loro funzionamento.
Il sistema endomembranoso comprende: l'involucro nucleare, il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi, i lisosomi, diversi vacuoli e la membrana plasmatica.

Il reticolo endoplasmatico ER è rappresentato da un intreccio di strutture membranose, che corrisponde a circa la metà delle membrane della cellula eucariotica.
Queste membrane dell'ER separano i comparti interni del reticolo stesso dal citosol.
Esistono 2 tipi diversi di reticolo:

Il reticolo liscio, nel versante esterno è privo di ribosomi e svolge diversi processi metabolici grazie ai suoi enzimi specializzati nella sintesi di grassi fosfolipidi e stereoidi, che contribuiscono anche all'eliminazione delle tossine.
Alcuni enzimi però hanno un effetto troppo esteso sul reticolo liscio e possono aumentare la tolleranza anche ad altre sostanze oltre a quella interessata.
Il reticolo rugoso è così chiamato perchè sulla sua superficie membranosa sono presenti i ribosomi.
Questo reticolo serve alla produzione di proteine di secrezione e fa da matrice per la formazione di proteine e fosfolipidi destinate ad altre membrane.
La maggior parte delle proteine di secrezione sono glicoproteine, molecole proteiche unite con legami covalenti a porzioni di carboidrati.
La membrana del reticolo endoplasmatico è in grado di accrescersi e di trasferirsi, sotto forma di vescicole di trasporto, in altre componenti del sistema endomembranoso della cellula.

L'apparato di Golgi è una sorta di centrale dove i vari prodotti (ad esempio le vescicole di trasporto) vengono rifiniti nelle loro caratteristiche chimiche e strutturali, smistati e inviati verso le loro destinazioni finali.
Questo apparato è costituito da unità funzionali dette diottismi, divise in versanti, il versante detto faccia cis, che riceve le molecole da elaborare, e il versante a faccia trans, dal quale le vescicole si staccano per destinarsi verso la loro meta finale.
I prodotti dell'ER vengono di solito modificati durante il passaggio da cis a trans, grazie alla presenza di enzimi presenti nelle varie cisterne da trasporto, ed infine vengono etichettati per poter raggiungere la destinazione finale.
L'apparato di Golgi può produrre per conto suo anche alcune macromolecole.

Un lisosoma è una vescicola delimitata da membrana che contiene enzimi idrolitici in grado di aggredire e scindere macromolecole.
I lisosomi rappresentano la sede della digestione intracellulare ed agiscono in condizioni ottimali in ambiente acido con pH di circa 5.
La membrana del lisosoma serve dunque a mantenere basso il livello del pH del lisosoma stesso, e se questa membrana dovesse rompersi e dovessero uscire troppi enzimi litici da vari lisosomi, la cellula potrebbe autodigerirsi.
La fagocitosi si ha quando organismi unicellulari ingeriscono piccoli organismi o particelle di cibo.
I prodotti della digestione passano nel citosol e diventono elementi nutrienti per la cellula.
I macrofagi invece sono quelle cellule che intervengono nei processi immunitari distruggendo i batteri.
La distruzione di parti cellulari è importante anche per la metamorfosi animale, come nel caso del girino la cui coda viene riassorbita.
Nella malattia di Pompe, il fegato soffre per l'accumulo di glicogeno dovuto alla mancanza di enzimi lisosomiali necessari alla sua scissione.
Nella malattia di Tay-Sachs manca o è inattivo un enzima per la scissione dei lipidi e l'encefalo viene danneggiato.

I vacuoli e le vescicole sono strutture endocellulari cave delimitate da membrana, e di solito i vacuoli son più grandi delle vescicole.
Esistono diversi tipi di vacuoli:
Vacuoli alimentari formati per fagocitosi, i vacuoli contrattili che funzionano come pompe per l'espulsione dell'acqua in eccesso dalla cellula. Il vacuolo centrale nelle cellule vegetali è racchiuso da una membrana detta tonoplasto, che è selettivo nel trasporto dei soluti.
I vacuoli possono anche servire alla pianta per proteggersi dai predatori quando nel loro interno son contenute sostanze tossiche o repellenti.

Altri organuli provvisti di membrana: mitocondri, cloroplasti e perossisomi

Tutti gli organismi sono sistemi aperti che trasformano l'energia presa dall'esterno per poter svolgere varie attività metaboliche, e nelle cellule eucariote, sono proprio i mitocondri e i cloroplasti i responsabili della trasformazione dell'energia necessaria per lo svolgimento del lavoro cellulare.
I mitocondri sono la sede della respirazione cellulare e sono presenti in tutte le cellule eucariotiche, il processo catabolico che con l'aiuto dell'ossigeno produce ATP estraendo energia da molecole organiche (zuccheri, grassi, ecc...).
Il mitocondrio è in grado di scindersi e di cambiare forma ed è formato da una doppia membrana ed ha solitamente una forma cilindrica.
La parte interna della membrana risulta pieghettata a creste ed è importante perchè conferisce alla membrana un'ampia superficie che aumenta l'efficienza della respirazione cellulare.
I cloroplasti appartengono ad una categoria di organuli vegetali definiti plastidi.
I mitocondri e i cloroplasti sono privi di membrana ma son lo stesso parte integrante del sistema endomembranoso, e sono organuli semiautonomi, capaci di di moltiplicarsi all'interno della cellula.
I perossisomi sono comparti metabolici specializzati delimitati da una singola membrana e possono servire per scindere gli acidi grassi in molecole più piccole, trasportabili fino ai mitocondri e poi così usabili come combustibile per la respirazione cellulare.
I pereossisomi detti gliossisomi sono presenti nei tessuti di riserva dei grassi all'intero dei semi delle piante e possono scindere i grassi in zuccheri quando serve.
I perossisomi non derivano dal sistema endomembranoso.

Il citoscheletro

Il citoscheletro è un reticolo di fibre distribuite all'interno del citoplasma che da un supporto meccanico alla cellula e ne mantiene costante la forma.
Il citoscheletro fornisce un ancoraggio per i vari organuli e le molecole enzimatiche del citosol e può essere smantellato e ricostruito da un'altra parte in modo da riassettare la cellula, ed è responsabile della capacità di movimento di molti tipi di cellule, oltre che modificare l'assetto della membrana plasmatica per formare i vacuoli alimentari nel corso della fagocitosi ed avere la capacità di trasmettere forze meccaniche dalla superficie cellulare verso l'interno e attraverso altre fibre fino al nucleo.
Esistono 3 principali strutture fibrillari che formano il citoscheletro:

Microtubuli: sono strutture cilindriche lunghe dai 200 nanometri ai 25 micrometri con diametro di circa 25 micrometri, presenti nel citoplasma di tutte le cellule eucariotiche, la cui parete è formata molecole di proteina globulare detta tubulina, un dimero formato 2 subunità polipeptiche simili, l'alpha tubulina e il beta.
I microtubuli servono per fornire sostegno alla cellula, per conferirle la forma, come binari su cui si spostano gli organuli e sono responsabili della separazione dei cromosomi durante la divisione cellulare.
In molte cellule i microtubuli derivano da un centrosoma, una regione spesso localizzata in prossimità del nucleo dalla quale si organizzano i vari microtubuli prima della divisione cellulare.
I microtubuli sono inoltre responsabile del movimento delle ciglia e dei flagelli, organuli utili per lo spostamento cellulare.
Microfilamenti: sono strutture cilindriche di circa 7 nanometri di diametro, definiti filmanti di actina dato che sono costituiti da quelle molecole in una doppia catena di subunità intrecciate, e son presenti in tutte le cellule eucariotiche.
I microfilamenti servono per resistere alla tensione nel citoscheletro, contribuendo a mantenere la forma cellulare.
Sono inoltre noti per la motilità cellulare e come componenti dell'apparato contrattile delle cellule muscolari.
Filamenti intermedi: hanno un diametro di 8-12 nanometri e sono specializzati per opporsi alla tensione, si differenziano dalle altre 2 strutture perchè sono costituiti da una diversa subunità appartenente alla famiglia delle cheratine.
I filamenti intermedi formano componenti cellulari più stabili e possono essere demoliti e ricostruiti velocemente, sono inoltre particolarmente importanti per la forma tipica della cellula e per la posizione di alcuni organuli al suo interno, come ad esempio per il nucleo, che è di solito situato all'interno di una gabbia di filamenti intermedi che servono anche per mantenerlo in quella specifica posizione.

Superficie cellulare e giunzioni intercellulari

La parete cellulare è una delle principali caratteristiche che distingue la cellula vegetale da quella animale.
La parete cellulare vegetale è composta dalla parete primaria, la lamella intermedia e la parete secondaria.
Le cellule animali sono prive di pareti paragonabili a quelle vegetali, ma possiedono una elaborata matrice extracellulare ECM, dove abbonda la proteina del collagene, che costituisce circa la metà delle proteine del corpo umano.
Le fibre di collagene sono immerse in un reticolo formato da proteoglicani, molecole glicoproteiche di tipo differenti, ricche di carboidrati.
Alcune cellule aderiscono alla ECM con le glicoproteine fibronectine che si legano a recettori proteici chiamati integrine, questi capaci di attraversare la membrana e di legarsi al versante citoplasmati del citoscheletro, in modo da poter trasmettere i cambiamenti dall'ECM al citoscheletro e viceversa, in modo da integrare i cambiamenti fra l'interno e l'esterno della cellula.
L'ECM può dunque influenzare l'attività dei geni contenuti nel nucleo.

Cellule vicine spesso aderiscono, interagiscono e comunicano tra di loro.
Le pareti cellulari sono attraversate da canali detti plasmodesmi.
Porzioni di citosol attraversano i plasmodesmi e collegano le varie parti vive di cellule adiacenti, contatti che unificano la maggior parte degli elementi cellulari di una pianta.
Negli animali esistono 3 tipi principali di contatti intercellulari:

Giunzioni occludenti: dove le membrane cellulari confinanti sono realmente fuse, formando cinture continue attorno alle cellule che impediscono la dispersione di fluido extracellulare.
Desmosomi: funzionano come punti di unione, mantenendo le cellule strettamente adiacenti.
Giunzioni comunicanti: sono veri e propri canali citoplasmatici fra le cellule animali adiacenti.

Concludendo si può dire che la cellula è un'unità vivente più complessa della somma delle sue singole parti e che nessun organulo opera da solo.