La cellula procariotica ed eucariotica

Nell’articolo di oggi, vediamo tutto ciò che ti serve sapere su cellula eucariotica e procariotica se ti stai preparando al TOLC-MED. Prendi carta e penna, iniziamo!

Un procariote è un organismo unicellulare composto da una singola cellula procariotica, mentre un eucariote è un organismo pluricellulare o unicellulare composto da cellule eucariotiche. Gli organismi possono essere classificati, quindi, in eucarioti o procarioti in base al tipo di cellule che li costituiscono.

Più in particolare i procarioti comprendono i batteri (regno Eubatteri) e gli archeobatteri (regno degli Arecheobatteri).

Mentre gli eucarioti comprendono quattro regni: protisti, piante, funghi e animali.

L’etimologia e il significato di eucariota e procariota, possono aiutarti a ricordare la principale differenza tra le due cellule: i procarioti non sono dotati di nucleo e procariote vuol dire infatti “pre-nucleo”, mentre eucariote sta per “vero nucleo”.

CONSIGLI DA NINJA: ti consigliamo sempre di utilizzare l’etimologia delle parole perchè molto spesso questa contiene già il significato del termine. Vai sempre di ragionamento invece che di memoria cieca!

Cos’è la citologia?

Prima di affrontare lo studio delle cellule, dobbiamo parlare di Citologia e Teoria Cellulare.

La citologia è la branca della biologia che studia la struttura e la funzione cellulare. Il termine citologia deriva dalla parola greca kytos, che significa “contenitore” o “vaso”.

Le cellule che compongono tutti gli organismi, comprese le piante, gli animali e gli organismi unicellulari, sono le unità di base della vita.

Conoscere la struttura e la funzione delle cellule è essenziale per comprendere la vita, la sua evoluzione e i problemi che possono essere alla base del funzionamento degli organismi.  Lo studio delle cellule ha una lunga storia che risale all’inizio del XIX secolo, quando gli scienziati iniziarono a usare il microscopio per osservare le cellule vegetali e animali.

Sebbene gli scienziati conoscessero già l’esistenza delle cellule come unità elementare, nessuno sapeva come studiare le cellule in dettaglio fino, appunto, all’invenzione del microscopio.

Esistono due tipi di microscopio: il microscopio ottico e il microscopio elettronico.

CONSIGLIO DA NINJA: È importante che tu abbia un idea della dimensione delle cellule e di ciò che si può vedere o non vedere con ogni tipo di microscopio, poichè in passato queste piccolezze sono state oggetto di domanda!

Ora ti spiego: esistono due tipi di microscopi, quello ottico e quello elettronico.

Quello ottico raggiunge un potere di risoluzione di 0,2 micrometri. Questo potere di risoluzione permette di vedere tutte le cellule, eccezion fatta solo per pochi batteri.

Sempre al microscopio ottico puoi notare alcuni organuli (nucleo e mitocondri), ma NON PUOI VEDERE STRUTTURE PIÙ PICCOLE, come ribosomi e virus, che invece puoi vedere al microscopio elettronico. Esistono due tipi di microscopio elettronico, quello a trasmissione e quello a scansione, ma questi sono dettagli veramente molto tecnici e non ti serve altro da sapere oltre a questo.

Ricorda: cellule eucariotiche / procariotiche, nuclei e mitocondri sono visibili al microscopio ottico, i virus sono visibili al microscopio elettronico.

Teoria cellulare

Parliamo ora della teoria cellulare.

Nella prima metà del XIX secolo, la scienza della biologia era dominata dallo studio degli organismi nel loro complesso, o biologia “generale” (o “olistica”). Tuttavia, lo sviluppo del microscopio ha portato a un nuovo modo di fare biologia “speciale” (o “cellulare”). I primi scienziati a utilizzare il microscopio per studiare le cellule e gli organismi viventi furono i botanici Robert Brown e Carl Wilhelm von Nägeli e lo zoologo Matthias Schleiden. I pionieri della morfologia vegetale che svilupparono la teoria cellulare sono solitamente indicati come i fondatori della moderna citologia.

Ma cos’è la teoria cellulare?

Essa sostiene che la cellula è l’unità di base della vita e che tutti gli organismi sono composti da cellule (primo assioma). Questa teoria spiega anche che tutte le cellule derivano da altre cellule attraverso il processo di divisione cellulare (secondo assioma) e che le cellule contengono informazioni ereditarie sotto forma di acido desossiribonucleico, cioè DNA (terzo assioma). La teoria cellulare è un concetto fondamentale della biologia ed è una delle due grandi teorie unificanti della biologia (insieme alla teoria dell’evoluzione).

La cellula procariotica: struttura, funzioni, organuli

La cellula procariotica, come già accennato in questo articolo, corrisponde ad un organismo monocellulare. È circondata da una parete cellulare fatta di peptidoglicano, acidi teicoici e lipoteicoici e proteine che formano una struttura rigida.

La parete è una protezione essenziale contro i danni meccanici e le condizioni estreme, come l’essiccazione o lo shock osmotico.

Altre strutture sempre presenti nella cellula procariotica sono:

Nucleoide: è la regione della cellula che contiene il materiale genetico del procariota. Si presenta come un addensamento di DNA, RNA e proteine (ricorda quindi che un procariota NON ha nucleo).

Mesosoma: sono invaginazioni della membrana con molteplici ruoli (energergetici, di sintesi, di riproduzione… sono in pratica il tuttofare di una cellula procariotica e sopperiscono, seppur in maniera più semplice, alla mancaza di organelli)

Plasmidi: sono filamenti di DNA extracromosomici (cioè indipendenti rispetto al groviglio genetico presente nel nucleoide). Sono fondamentali per la trasmissione orizzontale dell’informazione genetica.

OFF TOPIC: Cos’è la trasmissione orizzontale? Ne parleremo per bene più avanti, per il momento ti basti sapere questo: i procarioti si riproducono in maniera asessuata e ciò significa che da una cellula madre nascono due cellule figlie identiche. Ciò significherebbe, sulla carta, che da un certo batterio non può originare mai nulla di diverso. In realtà non è così, i batteri hanno infatti dei meccanismi di variabilità genetica e uno di questi è la coniugazione che avviene appunto tramite il trasferimento di una copia dei plasmidi da un batterio che ce l’ha, a un batterio che non ce l’ha.

Occasionalmente i batteri sono dotati di una capsula (un ulteriore involucro esterno che gli conferisce più resistenza e in generale dei vantaggi nella sopravvivenza) e di alcune strutture aggiuntive come pili e flagelli.

I flagelli servono per il movimento, mentre i pili permettono i processi di coniugazione batterica.

La cellula eucariotica: vegetale e animale

Come già detto, gli organismi eucarioti possono essere uni o pluricellulari.

Prima di affrontare la cellula eucariotica e i suoi componenti nel dettaglio, ricordiamoci che abbiamo delle differenze tra cellula vegetale e cellula animale.

Le differenze non sono molte e anzi possono essere schematizzate, così che tu possa ricordarle al meglio:

1. PARETE CELLULARE: le cellule vegetali hanno una parete cellulare, non presente nelle cellule animali. La parete cellulare è dotata di plasmodesmosomi, ovvero di pori che permettono comunicazione e passaggio di sostanze tra le cellule vegetali.

2. CLOROPLASTI: I cloroplasti sono organelli presenti all’interno delle cellule vegetali ma non in quelle animali.  È facile ricordarlo: ti basta pensare che servono alla fotosintesi, quindi un qualsiasi organismo animale non sa che farsene: la fotosintesi avviene solo nelle piante!

3. VACUOLI: sono presenti in entrambe le cellule, ma nelle cellule vegetali ricoprono un ruolo più importante. Si tratta di strutture delimitate da una membrana le cui principali funzioni nella cellula vegetale sono lo stoccaggio di materiale e il mantenimento del tono cellulare: hanno quindi una duplice funzione, energetica e strutturale.

4. CENTRIOLI E LISOSOMI: questi sono invece assenti nelle cellule vegetali, ma presenti nelle cellule animali. Approfondiremo le loro funzioni in capitoli più appropriati.

La principale differenza che dovrai ricordare sta nella parete cellulare. Una cellula vegetale ha una parete cellulare rigida fatta di cellulosa e impregnata di acidi silicici e sali minerali. La parete cellulare è una struttura rigida che conferisce alla cellula la sua forma. Inoltre, protegge la cellula da danni meccanici, essiccazione e pressione osmotica.

Tutti gli altri organelli, di cui parleremo di seguito, appartengono ad entrambe le cellule.

Organelli di una cellula eucariotica

Il nucleo

Il nucleo è un organello  che contiene il materiale genetico della cellula, più in particolare DNA, RNA e proteina. Rappresenta, come già dello, la principale differenza tra cellula eucariote e procariote.

Si trova al centro della cellula eucariotica, racchiuso dall’involucro nucleare, ed è tanto grande da poter essere osservato al microscopio ottico.

L’involucro nucleare è una doppia membrana (ognuna composta dal suo doppio strato fosfolipidico), derivante dal Reticolo Endoplasmatico Rugoso, una rivolta verso il contenuto nucleare (nucleoplasma), l’altra verso il citoplasma della cellula. Le due membrane sono collegate da pori nucleari, attraverso il quale possono passare diverse sostanze.

L’involucro nucleare è in continuità con il reticolo endoplasmatico, che è infatti una rete di tubuli e sacche che trasporta proteine e lipidi all’involucro nucleare.

All’interno dell’involucro nucleare troviamo DNA, RNA e proteine.

In particolare, al suo interno riconosciamo un’altra struttura che è il nucleolo, ovvero un addensamento rotondeggiante visibile al microscopio ottico che contiene rRNA e proteine, necessarie alla costituzione delle subunità ribosomiali.

Infine, DNA RNA e proteine formano un addensato che prende il nome di cromatina.

La cromatina si può trovare in due forme:

• eucromatina; è la forma meno “aggrovigliata” di materiale gentico ed infatti è quella che viene attivamente trascritta per esprimere proteine o per permettere la replicazione del DNA
• eterocromatina; è un aggrovigliato di materiale genetico che non ne permette la trascrizione

Il reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è una rete di tubuli intercomunicanti (cisterne) delimitati da una sola membrana, che trasporta proteine e lipidi all’involucro nucleare con la quale si trova spesso in continuità.

Nel lume (che è l’interno delle cisterne) del reticolo avvengono reazioni chimiche, come la sintesi delle proteine, la sintesi dei lipidi e il trasporto di metaboliti, ioni e altre molecole. Il reticolo endoplasmatico è coinvolto anche in altri processi cellulari, come la sintesi delle membrane e funge da rete per il trasporto di metaboliti, ioni e altre molecole.

In particolare, il reticolo si divide in RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO (ricco di ribosomi) e RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO (non ci sono ribosomi).

Le proteine secretorie e le proteine situate negli organelli e nella membrana plasmatica sono prodotte attraverso il reticolo rugoso (RER). All’interno del lume del reticolo, le proteine possono essere modificate chimicamente, ad esempio con la formazione di ponti di solfuro , modificazioni fondamentali affinchè le proteine assumano una struttura terziaria (struttura che rende la proteina funzionale) corretta.

Sempre il RER,  lega covalentemente le proteine ai carboidrati per formare glicoproteine.

Infine, alcune proteine sintetizzate a livello del RER possono. poi subire modificazioni a livello del REL.

Le funzioni del REL invece, sono diverse.

In particolare questo si occupa di sintetizzare fosfolipidi e steroidi, sintetizzare e degradare glicogeno e trasforare alcune sostanze dannose in composti non dannosi (detossficazione).

Il reticolo endoplasmatico, inoltre, occupa la maggior parte del citoplasma della cellula.

Le cellule più attive da un punto di vista di sintesi proteica, avranno un RER moltot più sviluppato rispetto alle altre cellule.

Il complesso di Golgi

Il complesso del Golgi è un insieme di sacche membranose (definite cisterne anche qui) impilate le une sulle altre, in cui proteine e lipidi vengono impacchettati, inviati ad altre parti della cellula o impacchettati per essere secreti dalla cellula stessa.

È collegato al reticolo endoplasmatico e al nucleo da una rete di filamenti citoplasmatici che fungono da “binari” per le vescicole che si spostano da un organello all’altro.  Questi fogli sono collegati tra loro da filamenti citoplasmatici. Il complesso del Golgi funziona quindi come una stazione di imballaggio, smistamento e consegna di proteine.

È infine coinvolto nell’assemblaggio dei lisosomi.

La membrana plasmatica

La membrana plasmatica è una barriera fluida e semipermeabile (selettiva) che circonda tutte le cellule e che verrà trattata approfonditamente in un altro articolo assieme ai vari tipi di trasporto. Per ora ti basti sapere che è composta da un doppio strato fosfolipidico e che le sue funzioni sono molteplici:

• È una barriera che protegge e da forma alla cellula
• Permette la comunicazione cellula-cellula attraverso le giunzioni cellulari
• Riceve e risponde ai segnali che arrivano dall’esterno (omroni e molecole di altro genere che legano i recettori presenti sulla membrana stessa)
• Regola il passaggio delle sostanze tra l’interno e l’esterno della cellula

La membrana può avere uno spessore che varia tra 7 e 10 nanometri.

Il citoplasma

Il citoplasma è la sostanza che si trova tra il nucleo e la membrana plasmatica. È composto da acqua (parte liquida), proteine, lipidi, carboidrati, ioni inorganici (ioni) e altre piccole molecole (parte corpuscolata). Il citoplasma è importante per il funzionamento della cellula, in quanto: al suo interno avvengono diverse reazioni enzimatiche e metaboliche (es. glicolisi) e mantiene la forma della cellula.

Ribosomi

I ribosomi sono particelle di 15-20 nm formate da proteine e RNA ribosomiale (rRNA).

Sono presenti nel citoplasma in forma libera, o si trovano legati al reticolo endoplasmatico rugoso.

Le subunità ribosomiali sono prodotti nel nucleolo in maniera separata, e si assembleranno solo al momento della traduzione delle proteine a formare il ribosoma completo e attivo (in un altro articolo tratteremo la traduzione).

Nei procarioti, le due subunità sono definite 50S (maggiore) e 30S (minore), mentre negli eucarioti le subunità sono 60S e 40S.

Lisosomi

Come abbiamo già accennato, sono organelli delimitati da membrana prodotti nel complesso di Golgi.

Sono organelli con funzioni digestive, in quanto contengono al loro interno enzimi con funzione litica (ovvero enzimi che distruggono, digeriscono).

Se ne deduce che è importante che i lisosomi siano delimitati da membrana e che gli enzimi litici si attivino solo in ambiente acido, che è proprio l’ambiente che si crea nel lisosoma (se il lisosoma si dovesse rompere, gli enzimi non andrebbero a digerire le altre strutture cellulari, proprio perchè il citoplasma della cellula non è acido).

Intervengono nei processi di endocitosi, perchè a seguito dell’internalizzazione di una vescicola, il lisosoma si fonde ad essa formando il fagolisosoma per digerire le sostanze introdotte.

(Approfondiremo meglio questo aspetto nel capitolo sull’endocitosi)

Infine, digeriscono anche strutture cellulari invecchiate.

Perossisomi e Gliossisomi

I perossisomi sono piccoli organelli presenti nella maggior parte delle cellule eucariotiche. Il loro scopo è quello di immagazzinare e scomporre i perossidi, sostanze dannose per le cellule.

Un esempio di perossido molto importante (e che devi ricordare) è il perossido di idrogeno (H2O2; è la normale acqua ossigenata). L’H2O2 può essere prodotto nei lisosomi stessi, come risultato di reazioni di ossidazione ma, una volta prodotto, deve essere eliminato. La sua eliminazione è possibile grazie all’enzima catalasi, che trasforma il perossido in acqua e ossigeno, secondo questa reazione (qui non bilanciata):

H2O2 → H2O + O

I perossisomi sono però coinvolti anche nel metabolismo dei lipidi e nella detossificazione degli alcoli.

Il gliossisoma invece è un tipo di perossisoma, presente SOLO nelle cellule vegetali. È in grado di degradare lipidi e al contempo di formare alcuni intermedi per la gluconeogenesi.

Mitocondri

I mitocondri sono presenti in tutte le cellule eucariotiche e sono la centrale energetica della cellula. Una centrale energetica è assolutamente necessaria poichè i processi metabolici che avvengono nella cellula richiedono energia.

Ciò che fanno i mitocondri, in pratica, è trasformare le molecole chimiche provenienti da processi catabolici, in energia utilizzabile da tutti gli altri processi, cioè in ATP, attraverso la fosforilazione ossidativa (che sarà oggetto di un altro capitolo).

Da un punto di vista strutturale, i mitocondri sono formati sa una doppia membrana (rispettivamente membrana esterna e membrana interna), separate dallo spazio intermembrana.

La membrana interna, come puoi vedere dall’immagine, si ripiega a formade le cosidette creste mitocondriali.

La membrana interna è di fondamentale importanza perchè contiene le i complessi proteici necessari per la catena di trasporto degli elettroni.

La matrice invece, delimitata dalla membrana interna, contiene gli enzimi necessari al ciclo di Krebs.

Inoltre, ogni mitocondrio ha un suo DNA e svolge una sua sintesi proteica (quindi è anche dotato di ribosomi), anche se spesso, le proteine tradotte hanno bisogno di unità proteiche provenienti dal nucleo per poter funzionare.

Cloroplasti

Sono presenti solo negli organismi eucariotici che svolgono la fotosintesi.

Sono simili ai mitocondri, infatti anche loro sono racchiusi da una doppia membrana e hanno forma ellissoidale.

Sono anch’essi dotati di un proprio DNA circolare, contenuto questa volta nello stroma (è il corrispondente della matrice mitocondriale, delimitato dalla membrana interna) del cloroplasto.

Presentano inolte un sistema di membrane denominate tilacoidi, che si impilano l’uno sull’altro a formare i grani. 

La particolare struttura e dimensione dei cloroplasti e dei mitocondri, e il fatto che posseggano un loro DNA, ha portato all’elaborazione della teoria endosimbiontica per spiegare l’origine della cellula eucariotica.

Cromoplasti e Leucoplasti

Cromoplasti, leucopasti e cloroplasti sono plastidi.

Si tratta di organuli che hanno un loro DNA e che sono contenuti solo nelle cellule vegetali.

Citoscheletro

Anche il citoscheletro, come alcuni approfondimenti sul mitocondrio, merita una lezione a se stante.

Per avere però un quadro completo di ciò che c’è nella cellula, possiamo dire brevemente che si tratta di un insieme di filamenti interconnessi tra di loro, che letteralmente costituisce lo “scheletro” della cellula (l’etimologia di una parola ti spiega già il suo significato, ricordi?)

Le sue funzioni sono infatti paragonabili, se ci pensi, alle funzioni che ha il nostro scheletro:

• Fornisce struttura e forma alla cellula
• Permette la formazione delle giunzioni cellulari, indispensabile per l’adesione e la comunicazione tra cellule
• Va a formare ciglia e flagelli, permettendo il movimento di alcune cellule
• È coinvolto nella divisione cellulare (mitosi e meiosi)
• Permette, se necessario, lo spostamento di organelli e vescicole all’interno della cellula, fungendo da “binario”
• Tiene ancorati gli organelli

Le tipologie di filamenti sono diverse, poichè diverse sono le funzionalità che spettano ad ogni tipologia.

Parliamo, in particolare di:

• microtubuli
• microfilamenti
• filamenti intermedi

Conclusioni