Le cellule: origine, evoluzione e struttura
La cellula rappresenta un concetto centrale in tutte le discipline biologiche. Questo elemento microscopico non è solo è il cuore pulsante della struttura fisica di ogni organismo, ma svolge anche un ruolo cruciale nelle funzioni vitali.
La comprensione della cellula e delle sue molteplici funzioni ha rivoluzionato la scienza, influenzando profondamente settori come la medicina, la biotecnologia, la genetica e l’ecologia.
Ogni organismo vivente, dalla più semplice forma di vita unicellulare ai complessi organismi multicellulari come gli esseri umani, dipende dalle cellule per svolgere le attività vitali necessarie per la sopravvivenza.
In questa lezione vedremo come si possono classificare le cellule in base agli organismi di cui fanno parte e in base alle loro funzioni.
- La cellula come unità della vita
- La teoria cellulare: la classificazione delle cellule
- La cellula procariotica
- Un esempio di cellula procariotica: i batteri
- La cellula eucariotica animale
- La cellula eucariotica vegetale
- Organismi privi di cellule: i virus
La cellula come unità della vita
La cellula è l’unità base degli esseri viventi dotata di tutte le caratteristiche vitali: si riproduce, si nutre, respira, si sviluppa, si adatta all’ambiente, ha un proprio metabolismo e svolge tutte le funzioni biochimiche.
Le cellule sono molto piccole e la loro dimensione varia da 1 £$\mu m^3$£ a 1000 £$\mu m^3$£ (1 £$\mu m$£ = 1×£$10^{-6}$£ m).
Per poterle visualizzare è necessario utilizzare un microscopio, uno strumento scientifico dotato di lenti che permettono di ingrandire le immagini. Il microscopio può essere ottico oppure elettronico.
L’inglese Robert Hooke (1635-1703) costruì un microscopio che gli permise di studiare i tessuti vegetali e di scoprire che erano formati da piccole cavità separate da pareti che chiamò celle. Solamente in seguito la cellula fu concepita come unità base degli esseri viventi.
La teoria cellulare: la classificazione delle cellule
La teoria cellulare è uno dei principi fondamentali della biologia che fornisce una spiegazione strutturale e funzionale di tutti gli organismi viventi. Questa teoria afferma che:
- Gli esseri viventi (animali, vegetali o altri organismi) sono costituiti da una o più cellule;
- Le cellule si originano da altre cellule;
- Le cellule contengono le informazioni ereditarie degli organismi a cui appartengono;
- Le reazioni chimiche di un organismo vivente avvengono dentro le cellule.
Nonostante le cellule svolgano funzioni simili in tutti gli esseri viventi, esse presentano delle diversità. Queste diversità sono più evidenti se si confrontano fra loro le cellule di organismi molto semplici (batteri) con quelle di organismi complessi (animali).
Le cellule si dividono in:
- CELLULE PROCARIOTICHE ovvero le cellule degli organismi prive di nucleo;
- CELLULE EUCARIOTICHE ovvero le cellule degli organismi complessi dotate di un nucleo ben organizzato.
Basandosi sempre sulla cellula, i biologi distinguono poi gli organismi in:
- UNICELLULARI, costituiti da un’unica cellula che svolge tutte le funzioni necessarie per la vita e la riproduzione dell’organismo. Ad esempio, batteri e protozoi;
- PLURICELLULARI, costituiti dall’aggregazione di più cellule che si specializzano per svolgere compiti particolari. Ad esempio, gli animali e i vegetali.
Inoltre gli organismi possono essere suddivisi in:
- AUTOTROFI, che sono in grado di produrre le sostanze necessarie per svolgere le loro funzioni vitali in modo autonomo partendo da sostanze semplici come acqua e anidride carbonica. Ad esempio, piante e alghe sono organismi autotrofi;
- ETEROTROFI, che devono utilizzare le sostanze prodotte dagli organismi autotrofi per poter svolgere le funzioni vitali. Ad esempio, animali e funghi sono organismi eterotrofi.
La cellula procariotica
La cellula procariotica è la più semplice fra le cellule e forma soltanto organismi unicellulari come i batteri e i cianobatteri (alghe azzurre).
La parte più esterna della cellula procariotica è composta da:
- una MEMBRANA CELLULARE, formata da un doppio strato fosfolipidico che permette gli scambi di sostanze in entrata e in uscita;
- una PARETE CELLULARE, formata da proteine, lipidi e polisaccaridi. È un rivestimento rigido esterno e ha la funzione di proteggere la cellula da urti o danneggiamenti;
- una CAPSULA, sostanza gelatinosa composta da polisaccaridi che si trova solo in alcuni batteri e ha diverse funzioni (protezione, aderenza alle superfici).
All’interno della cellula procariotica troviamo invece:
- Il CITOPLASMA, un materiale semifluido nel quale avvengono le reazioni cellulari;
- I RIBOSOMI, corpuscoli tondeggianti indispensabili per la produzione delle proteine costituiti da RNA e proteine;
- I FLAGELLI, lunghe appendici in grado di contrarsi costituite da proteine;
- I PILI, presenti in alcuni batteri, sono appendici simili ai flagelli anche se numerose e corte. I pili permettono alla cellula procariotica di aderire ad altri organismi;
- I PLASMIDI, piccole molecole circolari di DNA che possono essere trasferite da un batterio ad un altro;
- Il NUCLEOIDE, una regione del citoplasma dove si trova il materiale genetico.
Un esempio di cellula procariotica: i batteri
I batteri sono microrganismi appartenenti ai procarioti, molto diffusi in quanto possono vivere in qualsiasi ambiente. Vivono in acqua, nell’aria, nel terreno, negli alimenti, negli oggetti o come parassiti di altri organismi.
La loro dimensione varia da 1 £$\mu m$£ a 10 £$\mu m$£ e si distinguono per la loro forma che può essere a bastoncino, sferica, a spirale oppure a virgola.
In base alla forma si dividono in Cocchi (diplococchi, streptococchi, stafilococchi, tetradi, sarcine), Bacilli (displobacilli, streptobacilli), Coccobacilli, Vibrioni, Spirilli e Spirochete.
A seconda del loro bisogno di ossigeno si dividono in:
- AEROBI: vivono solo in ambienti con ossigeno;
- ANAEROBI: vivono solo in ambienti privi di ossigeno;
- AEROBI / ANAEROBI: vivono in ambienti sia con che senza ossigeno.
La cellula eucariotica animale
Le cellule eucariotiche degli animali hanno degli aspetti comuni con le cellule procariotiche. Entrambe, infatti, possiedono la membrana cellulare, il citoplasma e i ribosomi.
Il citoplasma delle cellule eucariotiche però possiede gli organuli, delimitati da membrana, ognuno dei quali ha una particolare funzione. Vediamoli nello specifico:
- NUCLEO
È l’organulo principale della cellula eucariotica che contiene DNA associato alle proteine. Il nucleo è’ avvolto dalla membrana nucleare che è costituita da due membrane separate tra loro da uno spazio e attraversate da pori che permettono la comunicazione tra nucleo e citoplasma. - MITOCONDRI
Producono energia attraverso la respirazione cellulare; - RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO
Ha un aspetto granulare ed è formato da una serie di sacchetti appiattiti connessi tra loro. Trasporta i ribosomi nel citoplasma per sintetizzare le proteine; - RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO
È il proseguimento di quello rugoso, ma non presenta ribosomi. Sintetizza i lipidi che servono a riparare e a costruire le membrane della cellula; - RIBOSOMI
Utili per la sintesi delle proteine. Sono organuli tondeggianti composti di RNA e proteine; - LISOSOMI
Vescicole di membrana con enzimi responsabili della digestione dei rifiuti prodotti dalla cellula; - CENTRIOLI
Cilindri composti da 9 coppie di microtubuli proteici che intervengono nella divisione cellulare facilitando lo spostamento dei cromosomi all’ interno della cellula; - CITOSCHELETRO
Formato da microtubuli e filamenti proteici che sostengono la cellula; - APPARATO DI GOLGI
Contiene cisterne (che rifiniscono e rilasciano le proteine) e vescicole (che immagazzinano sostanze di scarto del metabolismo); - CIGLIA E FLAGELLI
Sono fibre proteiche capaci di contrarsi utili per il movimento della cellula. Le ciglia sono corte e numerose mentre i flagelli sono poco numerosi e lunghi; - VACUOLI
Sono sacche che accumulano sostanze di riserva energetica.
La cellula eucariotica vegetale
Come la cellula eucariotica animale, anche la cellula eucariotica vegetale contiene un nucleo, mitocondri, reticolo endoplasmatico rugoso e liscio, ribosomi e lisosomi, centrioli, citoscheletro, apparato di Golgi, ciglia e flagelli.
Diversamente però dalle cellule animali quelle vegetali presentano i seguenti organuli:
- PARETE CELLULARE
è un rivestimento spesso e rigido esterno alla membrana che protegge e sostiene l’organismo. Inoltre determina la forma della cellula stessa. È costituita da cellulosa (polisaccaride), lignina (fibra insolubile) e pectina (fibra idrosolubile); - VACUOLO CENTRALE
ha la forma di un sacchetto che agisce come un lisosoma delle cellule animali, immagazzina acqua contribuendo a far aumentare le dimensioni della cellula, immagazzina sostanze chimiche essenziali e prodotti di rifiuto del metabolismo cellulare; - CLOROPLASTI
utilizzano la luce solare per sintetizzare zuccheri a partire da molecole inorganiche, sono quindi la sede del processo della fotosintesi.
Organismi privi di cellule: i virus
Oltre a procarioti ed eucarioti esistono i virus, che sono microrganismi senza una cellula e delle dimensioni di 20-1000 nm (1 nm = 10-9m). I virus vengono definiti come parassiti endocellulari obbligati:
- PARASSITI in quanto si possono riprodurre solamente all’interno di una cellula viva;
- ENDOCELLULARI perché devono inserire il loro materiale genetico nella cellula per riprodursi;
- OBBLIGATI perché per vivere hanno bisogno di una cellula al di fuori della quale possono sopravvivere per periodi brevi.
La loro struttura è semplice in quanto sono costituiti da un acido nucleico e da un involucro proteico detto capside. La loro forma è varia e può essere poliedrica, elicoidale, filamentosa o cubica.
I virus si dividono principalmente in due categorie. Da un lato abbiamo i virus con genomi a DNA:
- DNA a singolo filamento
Esempio: quinta malattia - DNA a doppio filamento
Esempio: vaiolo - DNA a doppio filamento con RNA intermedio
Esempio: epatite B
E dall’altro i virus con genomi a RNA:
- RNA a singolo filamento
Esempio: coronavirus COVID-19 - RNA a doppio filamento
Esempio: rotavirus