Cellula - biologia cellulare

La cellula è la più piccola unità funzionale biologica nel contesto dei sistemi viventi. Le cellule possono vivere da sole oppure aggregarsi in gruppi. I batteri, ad esempio, sono formati da una singola cellula. Altri organismi, invece, sono formati da miliardi di cellule, generalmente specializzate per compiere differenti funzioni.

Le cellule sono dei sistemi autonomi che, per la propria sopravvivenza, necessitano di interagire con l'ambiente circostante, ad esempio per ricavare nutrienti, come nel caso delle cellule degli organismi eterotrofi, o altre molecole. Ciascuna cellula, necessita costantemente di un interscambio con l'esterno sia per reperire nutrienti o energia sia per allontanare i prodotti di scarto o tossici.

Cenni generali sulla struttura

Le cellule non sono tutte uguali. La struttura della cellula varia in base al tipo (procariotica o eucariotica) e alla specializzazione. Gli elementi in comune a tutte le cellule sono i seguenti:

• Membrana cellulare. Formata da un doppio strato fosfolipidico che separa la cellula dall'ambiente esterno.
• Citoplasma. Rappresentato da una soluzione di acqua e altri soluti nel quale trovano sono presenti strutture molecolari semplici (ioni), piccole molecole o strutture complesse intracellulari.
• Organuli. Strutture specializzate a compiere funzioni specifiche.
• Materiale genetico. Il materiale genetico delle cellule è rappresentato dal DNA o acido deossiribonucleico. L'organizzazione del DNA varia in base al tipo di cellula e al momento durante il ciclo cellulare.

Cellula eucariotica, schema delle strutture e del citoplasma.

Il livello minimo organizzativo è garantito dalla separazione della cellula dallo spazio circostante tramite la membrana cellulare. La stessa membrana media il passaggio di piccole molecole dal versante extracellulare al citoplasma e viceversa. Il citoplasma, a sua volta, rappresenta un punto in comune tra tutti i tipi cellulari poiché permette agli organuli una certa libertà di movimento e, allo stesso tempo, garantisce l'ambiente adatto agli enzimi che funzionano soltanto in ambiente acquoso. Il materiale genetico dei batteri è presente sotto forma di un singolo filamento circolare a doppia catena, mentre le cellule eucariotiche possiedono una diversa organizzazione. Negli eucarioti il DNA è organizzato in cromosomi formati da una condensazione di materiale genetico a doppia catena.

Cellule procariotiche ed eucariotiche

Le cellule possono essere classificate in molti modi. La presenza di determinati organuli, la morfologia, il metabolismo e il tipo di riproduzione permettono di classificare due, grandi, tipologie di cellule: procariotiche ed eucariotiche.

Le cellule procariotiche, o batteriche, sono strutture molto semplici che mancano degli organuli e della disposizione organizzata che, invece, è tipica delle cellule eucariotiche. Le cellule procariotiche sono capaci di vivere in modo autonomo, anche se in alcuni casi la loro sopravvivenza è strettamente correlata alla formazione delle colonie. Le cellule eucariotiche, con l'eccezione degli organismi monocellulari, sono progettate per diversificarsi in tipi cellulari e, successivamente, in tessuti.

Procarioti

Le cellule procariotiche, strutturalmente più semplici, rappresentano il livello tassonomico più arcaico. Fanno parte dei procarioti gli organismi monocellulari la cui membrana cellulare è affiancata a un rivestimento definito parete cellulare. L'informazione genetica è dispersa nel citoplasma in modo non organizzato, senza l'ausilio di un nucleo. La cellula procariotica è molto più piccola rispetto alla cellula eucariotica poiché molte strutture non sono presenti oppure sono abbozzate.

Metabolismo delle cellule procariotiche

Il metabolismo delle cellule eucariotiche avviene esclusivamente nel citoplasma. La maggior parte delle cellule procariotiche ricava l'energia tramite l'ossidazione di molecole organiche semplici, tra le quali spicca il glucosio. I processi metabolici ossidativi tipici delle cellule eucariotiche sono rappresentati dalla glicolisi, dal ciclo di Krebs e dalla respirazione cellulare.

Eucarioti

Le cellule eucariotiche sono strutturalmente più complesse delle cellule procariotiche. Presentano una membrana cellulare ben definita, una compartimentazione interna organizzata. Le cellule eucariotiche sono organizzate in modo da poter comunicare, anche a distanza, tramite un sistema di scambio di segnali conosciuto come comunicazione cellulare. La cellula eucariotica è modulabile giacché può temporaneamente disattivare parti del metabolismo o dell'espressione genetica in base alle necessità.

Metabolismo delle cellule eucariotiche

Il metabolismo delle cellule eucariotiche è molto più complesso. La presenza di più compartimenti rende la cellula capace di modulare e di differenziare, sia in termini spaziali sia temporali, i processi metabolici. La glicolisi, ad esempio, avviene nel citoplasma ma il ciclo di Krebs e la respirazione cellulare avvengono nel mitocondrio.

Modulazione metabolica e dell'attività cellulare eucariotica

La cellula eucariotica, a differenza di quella procariotica, è sensibile a moltissimi stimoli esterni. Questi stimoli possono essere generati dalla cellula stessa, da cellule vicine oppure da gruppi cellulari distanti spazialmente dalla cellula bersaglio. L'attività e il traffico dei segnali è affidato agli ormoni.

Differenziamento e specializzazione cellulare

A differenza delle cellule batteriche, le cellule procariotiche sono capaci di differenziarsi e specializzarsi in tipi cellulari diversi tra loro. Questo processo è, di norma, irreversibile. Questo vuol dire che a seguito di una specializzazione non è più possibile tornare indietro. Esiste una sola eccezione alla regola ed è presente nel mondo delle piante dove il percorso di differenziamento può procedere a ritroso e formare una cellula del meristema.

La specializzazione cellulare è alla base del differenziamento sia morfologico sia funzionale delle cellule. Una cellula muscolare è del tutto diversa da una cellula dell'epidermide sia per struttura (forma e dimensione) sia per funzione e presenza interna degli organuli. Il processo di differenziamento permette il raggiungimento di complessità tipico del mondo animale e vegetale; se ciascuna cellula rimanesse indifferenziata non sarebbe possibile formare tessuti cellulari complessi proprio perché, in questi tessuti, le cellule sono capaci di compiere lavori specifici e diversi rispetto agli altri tipi cellulari.

Riproduzione cellulare

La riproduzione cellulare permette alle cellule di moltiplicarsi. Le strategie riproduttive variano in base al tipo di cellula. La riproduzione più semplice è quella dei procarioti. Essa consiste in una semplice duplicazione del DNA alla quale segue la divisione cellulare; questo processo è chiamato mitosi e, di fatto, genera due cellule identiche o cloni. Le cellule eucariotiche si moltiplicano per mitosi ma adottano anche un diverso approccio per quanto riguarda il particolare sottotipo di cellule sessuali: gli ovociti gli spermatozoi. La divisione prende il nome di meiosi e determina una riduzione del numero di cromosomi con un dimezzamento della quantità di DNA che viene distribuita equamente tra cellula madre e cellula figlia. Le cellule animali, prima del processo meiotico, sono definite diploidi perché possiedono una doppia copia cromosomica. Alla fine della meiosi, la cellula assume un carattere aploide poiché presenta i cromosomi in singola copia. In alcuni tessuti vegetali, tuttavia, le cellule possono avere un corredo cromosomico di tipo triploide.