Biologia per il liceo/La cellula

Ciò che rende la cellula interessante è che ancora oggi molti suoi meccanismi non sono stati pienamente compresi. Una cellula è un sistema complesso con migliaia di componenti molecolari che lavorano insieme in modo coordinato per produrre il fenomeno che chiamiamo vita. Durante tutto il XX secolo queste componenti molecolari vennero identificati (per esempio, vedi Progetto Genoma) ma la ricerca continua sui dettagli dei processi cellulari come il controllo della divisione della cellula e della differenziazione cellulare. La rottura dei normali meccanismi di divisione cellulare può causare un anormale comportamento della cellula come i fenomeni tumorali.

Le cellule hanno interazioni complesse con l'ambiente che le circondano. Che esternamente vi sia un ambiente o altre cellule, i meccanismi di interazione sono presenti e complessi. Lo studio dei meccanismi con i quali le cellule rispondono in modo appropriato all'ambiente costituisce un vasto settore della ricerca moderna. Per fare un esempio, un ormone come l'insulina interagente con la superficie di una cellula può risultare nel comportamento alterato di centinaia di componenti molecolari all'interno della cellula.

Il materiale genetico di tutte le cellule è identico: eppure esistono migliaia di cellule differenti all'interno del corpo umano e tutte contribuiscono a conferire al corpo di ogni individuo forma e dimensioni differenti. Tutte queste cellule hanno un antenato comune, lo zigote. Lo studio di come le cellule di differenziano durante lo sviluppo dell'embrione (biologia dello sviluppo) costituisce un ramo della Biologia. Molto del controllo sulla differenziazione della cellula è a livello genetico (vedi trascrizione), tramite l'mRNA. Genetisti, biologi molecolari e cellulari stanno lavorando per scoprire i dettagli di come le cellule si specializzano per raggiungere funzioni complesse e differenti come a contrazione dei muscoli all'immagazzinamento di informazioni nella memoria.

Le dimensioni delle cellule

Benché in genere le cellule biologiche sono troppo piccole per essere viste senza microscopio ci sono eccezioni interessanti nelle dimensioni delle cellule. Le cellule degli Eucarioti sono tipicamente 10 volte più grandi di quelle dei Procarioti. In media le cellule delle piante sono fra le più grandi, probabilmente perché contengono molta acqua e molti vacuoli.

Le cellule sono così piccole che questo ammasso di cellule di topo misura soltanto 50 microns

Ecco una lista di esempi utili a farsi un'idea delle dimensioni delle cellule.Fate molta attenzione a notare la grande varietà di tipi e di grandezze che le cellule possono raggiungere.

Schema di una tipica cellula animale con i suoi componenti cellulari detti organuli:
(1) nucleolo
(2) nucleo
(3) ribosoma (little dots)
(4) vescicoli
(5) reticolo endoplasmatico rugoso (ER)
(6) Apparato del Golgi
(7) w:Citoscheletro
(8) Reticolo endoplasmatico liscio
(9) Mitocondri
(10) Vacuoli
(11) Citoplasma
(12) Lisosomi
(13) Centrioli con Centrosomi

• 0.1 nm (nanometro) diametro di un atomo di idrogeno
• 0.8 nm Amminoacido
• 2 nm Diametro di una elica di DNA
• 4 nm Proteina Globulare
• 6 nm microfilamenti
• 10 nm spessore della membrana cellulare
• 11 nm Ribosoma
• 25 nm Microtubulo
• 50 nm Poro nucleare
• 100 nm Grande Virus
• 150-250 nm piccoli batteri come mycoplasma
• 200 nm Centriolo
• 200 nm (200 to 500 nm) Lisosoma
• 200 nm (200 to 500 nm) Perossisoma
• 800 nm virus gigante Mimivirus

A questo punto entriamo nell' area dei colossi della biologia :

• 1 - 10 µm dimensioni normali per i Procarioti
• 1 µm Diameter of human nerve cell process
• 2 µm E.coli - un batterio che vive nell' intestino
• 3 µm Mitocondri
• 5 µm lunghezza di un cloroplasto
• 6 µm il nucleo
• 9 µm Globulo rosso

A 10 µm siamo nella vita vera e propria :

• 10 - 30 µm La maggior parte delle cellule animali degli Eucarioti
• (10 - 100 µm) Cellule delle piante degli Eucarioti
• 90 µm Piccola Ameba
• 100 µm Ovocita umano
• 160 µm Megacariocita
• 500 µm Batterio gigante Thiomargarita
• 800 µm grande Ameba
• 1 mm Diametro di cellula nervosa di polpo gigante
• 40 mm Diametro di una ameba gigante Gromia Sphaerica
• 120 mm Diametro di un uovo di struzzo
• 3 metri Lunghezza della cellula nervosa del collo di una giraffa

Di cosa è fatta una cellula

I più importanti elementi chimici che compongono la cellula sono:

• 59% Idrogeno (H)
• 24% Ossigeno (O)
• 11% Carbonio (C)
• 4% Azoto (N)
• 2% Altri - Fosforo(P), Zolfo (S), etc.

La differenza tra questi elementi son i rispettivi pesi atomici, gli elettroni ed in generale le loro proprietà chimiche .Un atomo può legarsi solo a determinati altri atomi in numero limitato.Per esempio il carbonio (C) può legarsi soltanto a 4 atomi, avendo quattro elettroni di valenza esterni; l'idrogeno ne ha solo uno e di conseguenza può legarsi soltanto ad un altro atomo. Un esempio può essere il metano CH₄. L'ossigeno ha solo due elettroni liberi e può anche formare soltanto un doppio legame con un singolo atomo che in chimica organica si chiama 'estere'.

Metano	Acqua	Metanolo (Alcool Metilico)
H | H-C-H | H	H H \ / O	H | H-C-O-H | H

Le più importanti molecole organiche che formano una cellula sono :

• 50% proteine
• 15% acidi nucleici
• 15% carboidrati
• 10% lipidi
• 10% Altro

Ecco una lista di elementi chimici con simbolo, peso atomico e rispettivo ruolo biologico.

Elemento	Simbolo	Peso Atomico	Ruolo Biologico
Calcio	Ca	40.1	ossa; messaggero della contrazione muscolare
Carbonio	C	12.0	Costituente strutturale delle molecole organiche
Cloro	Cl	35.5	Digestione e fotosintesi
Rame	Cu	63.5	necessario per alcuni molluschi
Fluoro	F	19.0	Necessario nello sviluppo dei denti
Idrogeno	H	1.0	nell' acqua e in molte altre molecole
Iodio	I	126.9	Tiroxina (un ormone)
Ferro	Fe	55.8	Emoglobina
Magnesio	Mg	24.3	Parte della clorofilla, il pigmento fotosintetico; essenziale per alcuni enzimi.
Manganese	Mn	54.9	Essenziale per alcuni enzimi.
Azoto	N	14.0	Costituente di tutte le proteine ed acidi nucleici.
Ossigeno	O	16.0	Respirazione; parte dell' acqua; coinvolto nella maggior parte delle molecole organiche.
Fosforo	P	31.0	Legame ad alta energia in ATP.
Potassio	K	39.1	Generazione di impulsi nervosi.
Selenio	Se	79.0	Per il lavoro di molti enzimi.
Silicio	Si	28.1	Gusci di diatomee.
Sodio	Na	23.0	Parte del Sale; conduzione nervosa
Zolfo	S	32.1	Costituente di molte proteine. Importante nella struttura delle proteine: i legami zolfo sono solidi.
Zinco	Zn	65.4	Essenziale per l'enzima ossidativo dell' alcool.

Elementi comuni a tutti i tipi di cellula

Tutte le cellule hanno tre elementi in comune:

• Membrana plasmatica ( O plasmalemma) : Tutte le cellule hanno un doppio strato fosfolipidico che la separa dall'ambiente esterno, ne racchiude il contenuto e regola gli scambi con l'ambiente.
• Materiale genetico : Tutte le cellule possiedono il materiale genetico, che contiene tutte le informazioni necessarie alla vita. Esso può essere racchiuso da membrana nucleare oppure sparso nel citoplasma.
• Citoplasma : Tutte le cellule possiedono il citoplasma, una massa finemente granulosa.

I tipi di cellula, somiglianze e differenze

Esistono due tipi di cellula: eucariote e procariote. Gli eucarioti possiedono un maggior numero di organuli, sono di dimensioni maggiori e hanno il materiale genetico delimitato da membrana. I procarioti invece sono più piccoli, non possiedono organuli intracellulari ad eccezione dei ribosomi ( più piccoli dei ribosomi degli eucarioti) e il materiale genetico si trova in una regione detta nucleoide ma non è racchiuso da membrana. La cellula procariote è tipica degli organismi appartenente al regno delle Monere, mentre la cellula eucariote è tipica di Animali, Piante, Funghi, Protisti. Entrambi i tipi di cellula però hanno una membrana, citoplasma e materiale genetico. La cellula eucariote può essere animale o vegetale. Nella cellula vegetale è presente una parete cellulare ( anche i batteri hanno una parete cellulare costituita da peptidoglicani) costituita da cellulosa, i cloroplasti ( organuli deputati alla fotosintesi) e un vacuolo, oltre agli organuli posseduti dalla cellula animale. Molto probabilmente la cellula eucariote nacque da una simbiosi tra un procariote più grande e uno più piccolo, in effetti i mitocondri e i cloroplasti hanno un proprio DNA circolare come i batteri e sono organuli autonomi, inoltre hanno anche dei ribosomi. Gli organuli cellulari sono:

• Ribosomi
• Lisosomi
• Perosissomi
• Mitocondri
• Cloroplasti
• Parete cellulare
• Membrana cellulare
• Nucleo
• Citoscheletro ( non è un vero e proprio organulo poiché non è delimitato da membrana)
• Ciglia e Flagelli
• Membrana plasmatica
• Reticolo Endoplasmatico Liscio ( REL) e Rugoso ( RER)
• Apparato di Golgi
• Vacuolo
• Centrioli