Cellula eucariote e procariote

Ogni cellula è caratterizzata in modo da possedere una membrana plasmatica che la separa dall’ambiente circostante, da materiale genetico (DNA) che viene trasmesso alla progenie e da strutture specializzate dette organuli che svolgono importanti funzioni per la cellula. Abbiamo detto che gli organismi possono essere unicellulari (come lo sono i batteri) o pluricellulari (come sono le piante e gli animali). In questi ultimi organismi le cellule si organizzano in sovrastrutture che permettono il mantenimento della funzione vitale dell’organismo, in particolare vediamo come le cellule si organizzino successivamente in tessuti, organi ed apparati. A partire dai tessuti queste cellule acquisiscono anche l’importante capacità di differenziarsi. Gli organismi procarioti sono le forme di vita più semplici, sono elementi unicellulari che all’interno della cellula non hanno nessuna compartimentazione specifica, mentre gli organismi eucarioti sono sia unicellulari che pluricellulari, e presentano una struttura più complessa, con una compartimentazione sia a livello del nucleo che del citoplasma cellulare. Le dimensioni delle cellule sono microscopiche, per poterle vedere dobbiamo utilizzare degli strumenti chiamati microscopi.

La cellula batterica o procariotica ha un certo tipo di struttura, molto diversa dalle cellule eucariotiche, in particolare manca di una compartimentazione cellulare ed il DNA è organizzato in una maniera molto più semplice rispetto a come è presente a livello degli eucarioti. Questo tipo di cellule sono molto importanti in campo medico quando andiamo a studiare fenomeni patologici legati proprio a queste cellule, ma sono anche molto importanti nella produzione di farmaci in ambito farmacologico, oppure si stanno rendendo molto importanti nelle applicazioni che permettono di rimuovere la CO2 dalla nostra atmosfera.

Se analizziamo invece le caratteristiche principali di una cellula eucariotica, vediamo che è presente un nucleo (si parla anche di 21 sottoregioni specializzate di cui non si è ancora capita bene la funzione), rivestito da una membrana nucleare con un doppio strato fosfolipidico ed uno camera intermedia frapposta, mentre all’interno il nucleo è formato da DNA e proteine, con quest’ultime che contrastano l’attività della DNAsi che andrebbe immediatamente a degradare il DNA se fosse presente da solo all’interno del nucleo, poi abbiamo il nucleolo che è una struttura adibita alla produzione delle subunità ribosomali, inoltre è una struttura piuttosto complicata perchè formata da circa 600 proteine. Sulla membrana nucleare internamente sono presenti le lamine di filamenti intermedi (formate da proteine chiamate lamine di tipo A, B e C che vanno a formare la cosiddetta struttura della matrice nucleare) che stabilizzano la struttura assieme ai microtubuli e ai microfilamenti di actina più interni, quindi abbiamo un’importante rete strutturale che però appena prima della mitosi va incontro a denaturazione. Esistono a questo livello anche i pori nucleari, che permettono la comunicazione del nucleo con il citoplasma ed il trasporto di numerose proteine sia dentro che fuori dal nucleo, assieme agli RNA messaggeri. All’interno del nucleo possiamo notare anche eterocromatina, una zona scura di DNA e proteine compattata che non viene trascritta, al contrario le zone chiare formate da DNA e proteine sono di eucromatina, e vengono regolarmente trascritte. I processi fondamentali all’interno del nucleo sono la trascrizione del RNA, l’elaborazione dei trascritti, la duplicazione del DNA, la sintesi dei precursori ribosomali e la riparazione del DNA. Nel citoplasma abbiamo invece un unico processo di base che è quello della traduzione proteica, inoltre abbiamo una serie di vescicole che originano da una compartimentazione cellulare che attraverso questo sistema permette la secrezione di particolari proteine (chiamate anche proteine secretorie, tra cui annoveriamo quelle destinate all’esterno della cellula, sulle membrane cellulari e sui lisosomi) di diversa natura, si parla in particolare di PATHWAY SECRETORIA, in cui lavorano l’apparato del Golgi, il reticolo endoplasmatico rugoso e il reticolo endoplasmatico liscio. In realtà queste strutture non sono in continuità ma sono separate tra loro, le proteine vengono infatti trasportate grazie a vescicole che vanno dal reticolo endoplasmatico verso l’apparato del Golgi che produce infine le vescicole secretorie. Queste vescicole sanno sempre dove devono andare, si parla infatti di traffico vescicolare, un processo molto importante e regolato di cui fanno parte anche le vescicole che si muovono in senso opposto, durante i processi di internalizzazione cellulare. I mitocondri sono invece quasi certamente antiche cellule procariotiche rimaste inglobate nelle cellule eucariotiche che hanno potuto sfruttare il vantaggio energetico dato proprio da queste strutture, poi nel citoplasma abbiamo i ribosomi ed i lisosomi, con quest’ultime che sono strutture piene di proenzimi che digeriscono tutte le componenti organiche una volta attivati, in particolare vediamo come la vescicola di fagocitosi internalizzata dalla cellula venga attivata fondendosi con un lisosoma che può così degradare tutte le strutture internalizzate con il fagosoma ed ogni cosa viene riutilizzata, poi possiamo trovare nella cellula anche i perossisomi, strutture adibite all’ossidazione di acidi grassi e all’eliminazione di molecole di acqua ossigenata. Per tutte queste strutture abbiamo anche una variazione notevole del pH, ad esempio nel reticolo endoplasmatico il pH è pari 6 mentre nei lisosomi è circa 4,5 (nel citosol invece il valore è circa pari a 7,2), proprio perchè al loro interno possano svolgersi al meglio le loro funzioni, la distribuzione delle pompe protoniche a livello di una cellula è infatti diversa a seconda della struttura che andiamo a considerare.

I batteri crescono in colonie, si parla in particolare di piastre di Petri, e queste colonie che crescono in queste strutture sono definite come aggregati di cellule singole che non hanno possibilità di comunicare, sono entità distinte che terminano di crescere in particolari situazioni, ad esempio quando scarseggia il nutrimento oppure quando la densità cellulare è alta (ma in questo caso si parla anche del sistema “quorum sensing” che sarebbe una modalità di comunicazione tra le cellule batteriche) mentre le colture di cellule eucariotiche utilizzano particolari fenomeni di comunicazione tra cellule, hanno cioè imparato a vivere insieme, si parla dunque di un livello organizzativo superiore, non c’è solo la necessità di recuperare nutrienti ma anche di svolgere numerose altre funzioni (in ogni caso le cellule arrivano esternamente ad aderire alla plastica attraverso determinate strutture chiamate placche focali). In particolare poniamo queste cellule su una piastra in cui andiamo a inserire come materiale nutritivo siero di vitello (in quanto contiene un’elevata concentrazione di fattori di crescita che servono ad attivare funzionalmente le cellule) ed il tutto deve essere posto in una soluzione fisiologica di NaCl 0,15 M, dove possiamo creare così diverse linee cellulari per andare a studiare meglio alcune situazioni patologiche che ci interessano. La maggior parte però di queste cellule che andremo a studiare è tumorale, c’è infatti una senescenza (processo d’invecchiamento) che arriva ben più in là rispetto ai 30-50 cicli cellulari di una cellula normale, esse infatti non sono inibite nella proliferazione dal contatto cellulare per la liberazione di particolari citochine in questo particolare momento che blocca un’ulteriore proliferazione cellulare.

Nell’osservare le cellule ha acquisito un ruolo fondamentale la microscopia, in particolare si parla ai giorni nostri di microscopia ottica (permette una risoluzione massima di 0,2 μm), di microscopia ottica confocale (si arriva ad avere una risoluzione fino a 5 nm), di microscopia elettronica e microscopia atomica (ci permette di osservare le singole molecole) per andare ad osservare nella maniera più dettagliata le strutture cellulari, inoltre se vogliamo mettere in mostra come è fatta una cellula, ovvero la sua morfologia, lo possiamo vedere attraverso una colorazione specifica del citoscheletro. A questa famiglia appartengono anche i microtubuli e i filamenti di actina, mentre i filamenti intermedi, sempre appartenenti alle strutture del citoscheletro, sono importanti perchè sono specifici per il tipo cellulare a cui appartengono, dunque in campo patologico sono importanti per riconoscere ad esempio l’origine di particolari cellule tumorali, ad esempio la vimentina è indice della presenza a questo livello di cellule mesenchimali.

La quantità di DNA è variabile per ogni tipo di cellula, in particolare nell’uomo ci sono 3,2 miliardi di paia di basi, e se lo poniamo in uno stato allungato e despiralizzato arriva ad una lunghezza di circa 1,5 metri. Inoltre possiamo vedere che ci sono organismi che hanno capacità diverse dalla nostre, come la lucertola o la salamandra che sono in grado di ricostruire il proprio organismo, quindi è importante sottolineare l’esistenza di queste diversità tra le specie viventi, ma soprattutto anche di analogie, per capire come si sono evoluti gli organismi nel tempo. I geni nell’uomo sono circa 25000, ma l’espressione genica permette di costruire circa 200 tipi di cellule diverse all’interno del nostro organismo, si parla infatti di espressione differenziale che permette la differenziazione stessa di tutte queste cellule. La struttura cromosomica in generale è comunque caratterizzata da una condensazione DNA-proteine altissima, ma non è ancora chiaro come si formi questa particolare struttura, inoltre teniamo conto che quando andiamo a trascrivere i nostri geni andiamo ad agire con diverse proteine nelle zone non condensate per formare i trascritti. In questi locus genici abbiamo dei modelli di regolazione della stessa trascrizione che prendono in considerazione la possibilità di formare numerose isoforme di uno stesso gene, ad esempio per il diverso taglio di introni ed esoni che portano alla sua modificazione funzionale.

Per semplificare il riconoscimento dei geni ad ognuno è stato attribuito un nome o un simbolo che lo identifichi. I geni sono stati raccolti nei cromosomi su cui si trovano e questo ha anche permesso di vedere che esiste una notevole variabilità nel numero dei geni da un cromosoma all’altro, in particolare grazie al Progetto Genoma Umano. Il cromosoma 1 ad esempio è stato studiato ed è ad alta densità genica, con circa 3200 geni contenuti in esso, mentre altri cromosomi sono a bassa densità genica, tipo il cromosoma Y e vengono definiti come “desert region”. È importante conoscere la disposizione dei geni sui singoli cromosomi perché in molte malattie abbiamo delle regioni alterate che possono così essere studiate. Per alcune malattie si è già a conoscenza di quale sia il gene interessato, mentre per molte altre è ancora da scoprire. Questi procedimenti permettono di ragionare in termini di fisiopatologia molecolare.

Le cellule eucariotiche superiori sono in grado anche di aderire tra loro, a differenza dei restanti tipi cellulari, e questo è molto importante per quanto riguarda le funzioni superiori che le cellule possono svolgere come tessuto e non più come entità singola. In particolare parliamo di diverse molecole d’adesione, quali le CAM, le integrine, le caderine o le selectine, e da un punto di vista degli apparati giunzionali troviamo i desmosomi, le gap junction, le giunzioni aderenti e le giunzioni occludenti. Le giunzioni occludenti, ispessimenti di membrana sigillati da claudine e occludine, sono molto importanti nel processo di polarizzazione cellulare, in pratica sigillano le barriere cellulari delle cellule in questione in modo che nella porzione basale e nella porzione apicale si mantengano ben divisi i processi funzionali, le giunzioni comunicanti invece, formate da connessine che vanno a delimitare uno spazio di comunicazione citoplasmatico tra due cellule che può essere aperto o chiuso, sono importanti per il passaggio di metaboliti, che regolano la cellula nello svolgere funzioni importanti a livello del tessuto, se invece sono chiuse queste giunzioni possono essere altrettanto importanti perchè evitano il passaggio di infiammazioni tra le cellule. Le giunzioni desmosomiali invece hanno una funzione per lo più meccanica, questa giunzione è mediata dalle caderine che poggiano su un ispessimento della membrana basale, su cui poggiano a loro volta i tonofilamenti legati con particolari proteine appartenenti alla famiglia delle desmoplachine, e possono essere presenti anche come emidesmososmi quando mediano l’aggancio alla membrana basale. Abbiamo anche le giunzioni aderenti, strutture che prevedono un estrema vicinanza tra due membrane cellulari, lungo tutto il perimetro delle cellule a contatto, con un passaggio consentito a questo livello solo a piccoli ioni. Questa struttura è formata in particolare da caderine e catenine, con quest’ultime che mediano l’aggancio nel citosol ai microfilamenti di actina, inoltre queste molecole possono mediare un’adesione cellula-cellula, cellula-matrice o cellula-membrana basale. Sono molto importanti per l’homing delle cellule che attraverso queste giunzioni, trovano la loro sede naturale per vivere.