Definizione di cellula
Le cellule sono l’unità di base della vita. Nel mondo moderno, sono il più piccolo mondo conosciuto che svolge tutte le funzioni della vita. Tutti gli organismi viventi sono o cellule singole o organismi multicellulari composti da molte cellule che lavorano insieme.
Le cellule sono la più piccola unità conosciuta che può svolgere tutte queste funzioni. Le caratteristiche che permettono ad una cellula di svolgere queste funzioni includono:
- Una membrana cellulare che tiene insieme le reazioni chimiche della vita.
- Almeno un cromosoma, composto di materiale genetico che contiene i “progetti” e il “software” della cellula.”
- Citoplasma – il fluido all’interno della cellula, in cui avvengono i processi chimici della vita.
Di seguito discuteremo le funzioni che le cellule devono svolgere per facilitare la vita, e come svolgono queste funzioni.
Funzione delle cellule
Gli scienziati definiscono sette funzioni che devono essere soddisfatte da un organismo vivente. Queste sono:
- Un essere vivente deve rispondere ai cambiamenti nel suo ambiente.
- Un essere vivente deve crescere e svilupparsi durante la sua vita.
- Un essere vivente deve essere capace di riprodursi, o fare copie di se stesso.
- Un essere vivente deve avere un metabolismo.
- Un essere vivente deve mantenere l’omeostasi, o mantenere il suo ambiente interno lo stesso indipendentemente dai cambiamenti esterni.
- Un essere vivente deve essere fatto di cellule.
- Un essere vivente deve trasmettere tratti alla sua prole.
È la biologia delle cellule che permette agli esseri viventi di svolgere tutte queste funzioni. Di seguito, discutiamo come esse rendono possibili le funzioni della vita.
Come funzionano le cellule
Per realizzarle, devono avere:
- Una membrana cellulare che separa l’interno della cellula dall’esterno. Concentrando le reazioni chimiche della vita all’interno di una piccola area all’interno di una membrana, le cellule permettono alle reazioni della vita di procedere molto più velocemente di quanto farebbero altrimenti.
- Materiale genetico che è in grado di trasmettere i tratti alla progenie della cellula. Per riprodursi, gli organismi devono assicurarsi che la loro prole abbia tutte le informazioni necessarie per essere in grado di svolgere tutte le funzioni della vita.Tutte le cellule moderne realizzano questo utilizzando il DNA, le cui proprietà di accoppiamento delle basi permettono alle cellule di fare copie accurate dei “progetti” e del “sistema operativo” di una cellula. Alcuni scienziati pensano che le prime cellule potrebbero invece aver usato l’RNA.
- Proteine che svolgono un’ampia varietà di funzioni strutturali, metaboliche e riproduttive.
Ci sono innumerevoli funzioni diverse che le cellule devono svolgere per ottenere energia e riprodursi.
A seconda della cellula, esempi di queste funzioni possono includere la fotosintesi, la scomposizione degli zuccheri, la locomozione, la copia del proprio DNA, permettere a certe sostanze di passare attraverso la membrana cellulare e tenerne fuori altre, ecc.
Le proteine sono fatte di aminoacidi, che sono come i “Lego” della biochimica. Gli aminoacidi sono di diverse dimensioni, forme diverse e con diverse proprietà come la polarità, la carica ionica e l’idrofobicità.
Mettendo insieme gli aminoacidi in base alle istruzioni del loro materiale genetico, le cellule possono creare macchinari biochimici per svolgere quasi tutte le funzioni.
Alcuni scienziati pensano che le prime cellule potrebbero aver usato l’RNA per svolgere alcune funzioni vitali, per poi passare ad aminoacidi molto più versatili per svolgere il lavoro come risultato di una mutazione.
I diversi tipi di cellule che discuteremo di seguito hanno modi diversi di svolgere queste funzioni.
Tipi di cellule
A causa dei milioni di specie diverse di vita sulla Terra, che crescono e cambiano gradualmente nel tempo, ci sono innumerevoli differenze tra gli innumerevoli tipi di cellule esistenti.
Tuttavia, qui esamineremo i due principali tipi di cellule e due importanti sottocategorie di ciascuna.
Procarioti
I procarioti sono i più semplici e antichi dei due principali tipi di cellule. I procarioti sono organismi unicellulari. I batteri e gli archebatteri sono esempi di cellule procariotiche.
Le cellule procariotiche hanno una membrana cellulare e uno o più strati di protezione supplementare dall’ambiente esterno. Molti procarioti hanno una membrana cellulare fatta di fosfolipidi, racchiusa da una parete cellulare fatta di uno zucchero rigido. La parete cellulare può essere racchiusa da un’altra “capsula” spessa fatta di zuccheri.
Molte cellule procariotiche hanno anche ciglia, code, o altri modi in cui la cellula può controllare il suo movimento.
Queste caratteristiche, così come la parete cellulare e la capsula, riflettono il fatto che le cellule procariotiche vanno da sole nell’ambiente. Non fanno parte di un organismo multicellulare, che potrebbe avere interi strati di cellule dedicate a proteggere altre cellule dall’ambiente, o a creare movimento.
Le cellule procariotiche hanno un singolo cromosoma che contiene tutto il materiale ereditario essenziale della cellula e le istruzioni operative. Questo singolo cromosoma è solitamente rotondo. Non c’è nucleo, né altre membrane o organelli interni. Il cromosoma galleggia nel citoplasma della cellula.
Tratti genetici e informazioni aggiuntive possono essere contenuti in altre unità genetiche all’interno del citoplasma, chiamate “plasmidi”, ma questi sono di solito geni che vengono passati avanti e indietro dai procarioti attraverso il processo di “trasferimento genico orizzontale”, che è quando una cellula dà materiale genetico ad un’altra. I plasmidi contengono DNA non essenziale di cui la cellula può vivere senza, e che non viene necessariamente trasmesso alla prole.
Quando una cellula procariota è pronta a riprodursi, fa una copia del suo singolo cromosoma. Poi la cellula si divide a metà, distribuendo una copia del suo cromosoma e un assortimento casuale di plasmidi a ciascuna cellula figlia.
Ci sono due tipi principali di procarioti noti agli scienziati: gli archebatteri, che sono una stirpe molto antica di vita con alcune differenze biochimiche dai batteri e dagli eucarioti, e i batteri, a volte chiamati “eubatteri” o “veri batteri” per differenziarli dagli archebatteri.
Si pensa che i batteri siano i discendenti più “moderni” degli archebatteri.
Entrambe le famiglie hanno “batteri” nel nome perché le differenze tra loro non erano comprese prima dell’invenzione delle moderne tecniche di analisi biochimica e genetica.
Quando gli scienziati hanno cominciato a esaminare in dettaglio la biochimica e la genetica dei procarioti, hanno scoperto questi due gruppi molto diversi, che probabilmente hanno relazioni diverse con gli eucarioti e diverse storie evolutive!
Alcuni scienziati pensano che gli eucarioti come gli esseri umani siano più strettamente legati ai batteri, poiché gli eucarioti hanno una chimica della membrana cellulare simile a quella dei batteri. Altri pensano che gli archebatteri siano più strettamente legati a noi eucarioti, poiché usano proteine simili per riprodurre i loro cromosomi.
Altri ancora pensano che potremmo discendere da entrambi – che le cellule eucariotiche potrebbero essere nate quando gli archebatteri hanno iniziato a vivere dentro una cellula batterica, o viceversa! Questo spiegherebbe come abbiamo importanti attributi genetici e chimici di entrambi, e perché abbiamo compartimenti interni multipli come il nucleo, i cloroplasti e i mitocondri!
Eucarioti
Si pensa che le cellule eucariotiche siano il tipo di cellula principale più moderno. Tutti gli organismi multicellulari, compresi voi, il vostro gatto e le vostre piante d’appartamento, sono eucarioti. Le cellule eucariotiche sembrano aver “imparato” a lavorare insieme per creare organismi multicellulari, mentre i procarioti sembrano incapaci di farlo.
Le cellule eucariotiche di solito hanno più di un cromosoma, che contiene grandi quantità di informazioni genetiche. All’interno del corpo di un organismo multicellulare, diversi geni all’interno di questi cromosomi possono essere accesi e spenti, consentendo alle cellule di avere tratti diversi e svolgere funzioni diverse all’interno dello stesso organismo.
Le cellule eucariotiche hanno anche una o più membrane interne, il che ha portato gli scienziati alla conclusione che le cellule eucariotiche si sono probabilmente evolute quando uno o più tipi di procarioti hanno iniziato a vivere in relazioni simbiotiche all’interno di altre cellule.
Gli organelli con membrane interne che si trovano nelle cellule eucariotiche includono tipicamente:
- Per le cellule animali – i mitocondri, che liberano l’energia dallo zucchero e la trasformano in ATP in modo estremamente efficiente.
I mitocondri hanno persino un proprio DNA, separato dal DNA nucleare delle cellule, il che dà ulteriore sostegno alla teoria che un tempo erano batteri indipendenti. - Per le cellule vegetali – I cloroplasti, che eseguono la fotosintesi, producendo ATP e zucchero dalla luce del sole e dall’aria.
I cloroplasti hanno anche il proprio DNA, suggerendo che potrebbero aver avuto origine come batteri fotosintetici. - Nucleo – Nelle cellule eucariotiche, il nucleo contiene i progetti essenziali del DNA e le istruzioni operative della cellula.
Si pensa che l’involucro nucleare fornisca uno strato extra di protezione per il DNA contro le tossine o gli invasori che potrebbero danneggiarlo.
Non si sa se il nucleo possa essere stato anche un procariote endosimbiotico in passato, o se la sua membrana si sia semplicemente evoluta come uno strato extra di protezione per il DNA della cellula. - Reticolo endoplasmatico – Questa complessa membrana interna è un importante sito di creazione di proteine per le cellule. L’origine evolutiva del reticolo endoplasmatico non è nota.
- Apparato di Golgi – Questo complesso di membrana interna può essere pensato come “l’ufficio postale” del reticolo endoplasmatico. Riceve le proteine dall’ER, le impacchetta e le “etichetta” attaccando gli zuccheri come necessario, e poi le spedisce alle loro destinazioni finali!
- Altri – Molte cellule eucariotiche possono creare temporanei “sacchetti” interni di membrana, chiamati “vacuoli”, per immagazzinare rifiuti o per impacchettare materiali importanti.
Alcune cellule, per esempio, hanno vacuoli speciali chiamati “lisosomi” che sono pieni di sostanze corrosive e di enzimi digestivi. Le cellule semplicemente scaricano la loro “spazzatura” nei lisosomi, dove il duro ambiente li scompone in componenti più semplici che possono essere riutilizzati!
Esempi di cellule
Archaebacteria
Come detto sopra, gli archebatteri sono una forma molto antica di cellule procariotiche. I biologi li inseriscono in un proprio “dominio” della vita, separato dagli altri batteri.
I modi principali in cui gli archebatteri differiscono dagli altri batteri includono:
- Le loro membrane cellulari, che sono fatte di un tipo di lipidi che non si trovano né nei batteri né nelle membrane cellulari eucariote.
- I loro enzimi di replicazione del DNA, che sono più simili a quelli degli eucarioti che a quelli dei batteri, suggerendo che i batteri e gli archei sono solo lontanamente imparentati, e gli archebatteri possono essere in realtà più strettamente imparentati con noi che con i batteri moderni.
- Alcuni archebatteri hanno la capacità di produrre metano, che è un processo metabolico non trovato in nessun batterio o eucariote.
Gli attributi chimici unici degli archebatteri permettono loro di vivere in ambienti estremi, come acqua surriscaldata, acqua estremamente salata e alcuni ambienti che sono tossici per tutte le altre forme di vita.
Gli scienziati si sono entusiasmati negli ultimi anni alla scoperta del Lokiarchaeota – un tipo di archebatterio che condivide molti geni con gli eucarioti che non erano mai stati trovati prima nelle cellule procariotiche!
Ora si pensa che il Lokiarchaeota possa essere il nostro parente vivente più vicino nel mondo procariotico.
Batteri
Tu hai molto probabilmente familiarità con il tipo di batteri che possono farti ammalare. Infatti, gli agenti patogeni comuni come lo Streptococco e lo Stafilococco sono cellule batteriche procariotiche.
Ma ci sono anche molti tipi di batteri utili – compresi quelli che scompongono i rifiuti morti per trasformare materiali inutili in terreno fertile, e batteri che vivono nel nostro stesso tratto digestivo e ci aiutano a digerire il cibo.
Le cellule batteriche si trovano comunemente a vivere in relazioni simbiotiche con organismi multicellulari come noi, nel suolo e in qualsiasi altro posto che non sia troppo estremo per loro!
Cellule vegetali
Le cellule vegetali sono cellule eucariotiche che fanno parte di organismi multicellulari e fotosintetici.
Le cellule vegetali hanno organelli cloroplasti, che contengono pigmenti che assorbono fotoni di luce e raccolgono l’energia di quei fotoni.
I cloroplasti hanno la notevole capacità di trasformare l’energia luminosa in carburante cellulare, e usano questa energia per prendere l’anidride carbonica dall’aria e trasformarla in zuccheri che possono essere usati dagli esseri viventi come carburante o materiale da costruzione.
Oltre ad avere i cloroplasti, le cellule vegetali hanno anche una parete cellulare fatta di zuccheri rigidi, per permettere ai tessuti vegetali di mantenere le loro strutture verticali come foglie, steli e tronchi d’albero.
Le cellule vegetali hanno anche i soliti organelli eucarioti, tra cui un nucleo, un reticolo endoplasmatico e un apparato di Golgi.
Cellule animali
Per questo esercizio, esaminiamo un tipo di cellula animale che è di grande importanza per te: la tua cellula epatica.
Come tutte le cellule animali, ha mitocondri che svolgono la respirazione cellulare, trasformando ossigeno e zucchero in grandi quantità di ATP per alimentare le funzioni cellulari.
Ha anche gli stessi organelli della maggior parte delle cellule animali: un nucleo, un reticolo endoplasmatico, un apparato di Golgi, ecc.
Ma come parte di un organismo multicellulare, la tua cellula epatica esprime anche geni unici, che le danno caratteristiche e abilità uniche.
Le cellule del fegato, in particolare, contengono enzimi che decompongono molte tossine, il che permette al fegato di purificare il sangue e decomporre i pericolosi rifiuti corporei.
La cellula epatica è un eccellente esempio di come gli organismi multicellulari possano essere più efficienti facendo lavorare insieme diversi tipi di cellule.
Il tuo corpo non potrebbe sopravvivere senza le cellule del fegato per scomporre certe tossine e prodotti di scarto, ma la stessa cellula del fegato non potrebbe sopravvivere senza le cellule nervose e muscolari che ti aiutano a trovare il cibo, e un tratto digestivo per scomporre quel cibo in zuccheri facilmente digeribili.
E tutti questi tipi di cellule contengono le informazioni per fare tutti gli altri tipi di cellule! È semplicemente una questione di quali geni vengono accesi o spenti durante lo sviluppo.
- Epigenetica – Il processo attraverso il quale i geni vengono accesi o spenti aggiungendo o rimuovendo gruppi chimici da parti del cromosoma.
- Eucarioti – cellule complesse con cromosomi multipli e organelli interni come mitocondri, cloroplasti e nuclei.
- Procarioti – organismi unicellulari con una struttura semplice, tipicamente con un cromosoma e nessun organello interno.
Quiz
1. Quale delle seguenti non è una funzione essenziale che tutti gli esseri viventi devono svolgere? Un essere vivente deve riprodursi.
B. Un essere vivente deve essere in grado di mantenere il suo ambiente interno, indipendentemente dai cambiamenti esterni.
C. Un essere vivente deve rispondere ai cambiamenti del suo ambiente.
D. Nessuna delle precedenti.
2. Quale delle seguenti NON è un tipo di cellula procariotica? Archaebatteri
B. Batteri stafilococco
C. Batterio streptococco
D. Cellula del fegato
3. Quale dei seguenti NON è un organello cellulare eucariotico? Plasmide
B. Nucleo
C. Mitocondri
D. Cloroplasto