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La cellula

La cellula è l’unità morfologico-funzionale degli organismi viventi nonché la più piccola struttura ad essere classificabile come vivente (definizione ormai accettata all’unanimità).

Alcuni organismi, come ad esempio i batteri o i protozoi, sono costituiti da una singola cellula e definiti unicellulari. Gli altri, come l’uomo [formato da circa 100.000 miliardi (1014) di cellule], sono invece pluricellulari. I principali organismi pluricellulari appartengono tipicamente ai regni animale, vegetale e dei funghi.

Le cellule degli organismi unicellulari presentano caratteri morfologici solitamente uniformi. Con l’aumentare del numero di cellule di un organismo, invece, le cellule che lo compongono si differenziano in forma, grandezza, rapporti e funzioni specializzate, fino alla costituzione di tessuti ed organi.

Ogni cellula può esser definita come un’entità chiusa ed autosufficiente: essa è infatti in grado di assumere nutrienti, di convertirli in energia, di svolgere funzioni specializzate e di riprodursi se necessario. Per fare ciò, ogni cellula contiene al suo interno tutte le informazioni necessarie. Nelle cellule è presente il DNA.

Le cellule si distinguono in primo luogo in due tipi: eucariotiche, cioè dotate di membrana che separa il nucleo vero e proprio dal citoplasma, e procariotiche, prive di tale membrana e con il DNA libero nel citoplasma, in una regione chiamata nucleoide. Al secondo tipo appartengono unicamente organismi monocellulari, come i batteri, i cianobatteri (conosciuti volgarmente come alghe azzurre) e gli archeobatteri. Le prime sono tendenzialmente più grandi ed organizzate e, pur comparendo anche in organismi monocellulari (noti come protisti), sono caratteristiche degli organismi multicellulari.

Tutte le cellule mostrano alcune caratteristiche comuni:

  • la riproduzione attraverso divisione cellulare (scissione binaria/mitosi o meiosi);
  • l’utilizzo di enzimi ed altre proteine (o acidi nucleici) prodotti a partire dai geni presenti sul DNA, utilizzando come intermedio DNA/proteine un trascritto di RNA (dogma centrale della biologia molecolare);
  • il metabolismo, che permette alle cellule di incorporare materiali grezzi e di costruirvi componenti cellulari, di ricavarvi energia e di rilasciare i prodotti di scarto; il funzionamento di una cellula dipende dalla sua capacità di estrarre ed utilizzare l’energia chimica contenuta nelle molecole organiche (tale energia viene rilasciata durante i pathway metabolici);
  • la risposta a stimoli interni ed esterni, come variazioni di temperatura, pH o nei livelli di nutrienti od ormoni;
  • il contenuto cellulare racchiuso in una membrana plasmatica, composta da un doppio foglietto fosfolipidico.

Le dimensioni della maggior parte delle cellule variano da 1 micrometro ad alcune decine, il che le rende solitamente non identificabili ad occhio nudo. Fanno eccezione molte uova. Tra gli organismi esistenti, le cellule più grandi sono i tuorli delle uova di struzzo, delle dimensioni di una palla da baseball, quelle più lunghe sono probabilmente delle cellule nervose presenti nel collo delle giraffe, che possono raggiungere i 3 metri.

Ci sono dei motivi fisiologici all’origine delle dimensioni della maggior parte delle cellule: un aumento di diametro di n volte comporterebbe un aumento della superficie cellulare di circa n² volte, con conseguente maggiore possibilità di scambi con l’esterno (sia in termini di nutrimento che di eliminazione dei rifiuti) ma anche un aumento del volume di n³ volte. Non essendo l’aumento della superficie cellulare proporzionale a quello del volume, quindi, una cellula troppo grande rischierebbe di morire per denutrizione o per uno smaltimento inefficiente dei prodotti di scarto. Le membrane di molte cellule sono ampiamente ripiegate per permettere un aumento della superficie di scambio senza un elevato incremento del volume interno (e quindi delle necessità).

Cellula procariote

Ci sono due tipi di cellula procariote che, secondo la proposta tassonomica del 1990 di Carl Woese, costituiscono due dei tre domini viventi: gli Eubacteria (a volte, semplicemente, Bacteria) e gli Archaea. Tra questi due domini non ci sono tuttavia differenze strutturali sostanziali. Le principali strutture che caratterizzano le cellule procariote sono tre.

  • La presenza di una o più appendici chiamate flagelli e/o pili (strutture proteiche che protrudono dalla superficie cellulare).
  • Un contenitore cellulare costituito da parete cellulare e/o da capsula, barriere supplementari nei confronti dell’esterno. I componenti del contenitore possono essere estremamente variabili. Se la membrana plasmatica è presente in tutte le cellule procariotiche, esse presentano grandi differenze relativamente alla presenza e/o alla composizione di capsula e parete.
  • Una regione citoplasmatica priva di nucleo e/o organelli, che contiene principalmente il genoma ed i ribosomi. Un cromosoma procariote è solitamente una molecola circolare. Anche senza un vero nucleo, il DNA è condensato in un nucleoide. I procarioti possono avere elementi di DNA extracromosomico chiamati plasmidi, che sono solitamente circolari e che possono apportare capacità aggiuntive come la resistenza agli antibiotici. Le funzioni che gli organelli svolgono negli eucarioti, nei procarioti sono svolte a cavallo della membrana plasmatica.

Cellula eucariota

Una tipica cellula eucariotica presenta solitamente una dimensione circa 10 volte maggiore rispetto ad una tipica cellula procariotica, con un volume cellulare complessivo che può essere dunque anche 1000 volte maggiore. La principale caratteristica delle cellule eucariote, che le distingue da quelle procariote, è la presenza di una notevole compartimentazione interna, costituita dalla presenza di vescicole ed invaginazioni racchiuse da membrane fosfolipidiche nelle quali hanno luogo specifiche attività metaboliche. Il compartimento più importante è senza dubbio il nucleo cellulare, un organulo in cui viene conservato il DNA cellulare e che dà il nome alla cellula stessa (dal greco ευ, bene/vero e κάρυον, nucleo).

A livello strutturale, le cellule eucariote presentano differenze rilevanti dai procarioti in tre regioni.

  • La membrana plasmatica è del tutto simile a quella procariotica nella struttura e nella funzione. La parete cellulare non è invece presente, se non nella cellula vegetale (che presenta tuttavia una composizione profondamente diversa).
  • Il DNA eucariotico è organizzato in molecole lineari chiamate cromosomi, associate ad istoni e contenute interamente nel nucleo. Anche alcuni organelli eucariotici (come i mitocondri ed i cloroplasti) possono contenere DNA.
  • Gli eucarioti possono utilizzare ciglia e flagelli per muoversi, sebbene la loro struttura sia decisamente più complessa di quella delle protrusioni procariotiche.

Cellula animale

La cellula animale è una cellula eucariotica che, per via di alcuni aspetti, è differente dalla cellula vegetale:

  • L’assenza di una parete cellulare, ma la sola presenza di una membrana cellulare.
  • La presenza dei lisosomi: rappresentano il sistema digerente della cellula in quanto sono responsabili della degradazione e della digestione cioè (distruzione) di molecole estranee e macromolecole ingerite dalla cellula stessa via endocitosi così come di macromolecole endogene.
  • La presenza dei centrioli: intervengono al momento della duplicazione cellulare e sono responsabili di un’ordinata disposizione degli organuli cellulari.
  • La presenza di flagelli: permettono alla cellula di compiere movimenti di vario tipo.
  • L’assenza dei plastidi e dei vacuoli, tipici delle cellule vegetali.
  • La presenza di vacuoli micropinocitici utili a inglobare goccioline di sostanze liquide (pinocitosi).

Cellule vegetali

Le cellule eucariote, come già detto, possono assumere morfologie molto differenti tra loro. In particolare, la maggior parte delle differenze intercorrono tra le cellule vegetali e le cellule animali.