Generalità
La cellula è l’elemento morfologico e funzionale di qualsiasiorganismo. Vi sono esseri monocellulari come i batteri, e pluricellularicome l’uomo, ma non esistono strutture viventi prive di cellule.
Il primo ad adoperare questa parola, nel senso di piccola cella, ostanzetta, fu Robert Hooke (1633-1703). Dopo aver allestito delle fettinedi sughero estremamente sottili, le osservò con la lente di ingrandimentoe vide che erano costituite da innumerevoli, minuscole concamerazioni.Grew e M. Malpighi ripeterono le osservazioni di Hooke, ed anche loro trovarono delle cavità che definirono utricoli o vescicole,limitate da pareti di cellulosa. Successivamente, A. Leeuwenhoek notòalcune cellule libere e le contrappose a quelle murate di Hooke; egli inoltrescoprì all’interno di alcuni utricoli di uccelli la presenza diuna struttura, che più tardi sarà chiamata nucleo.
Antony van Leeuwenhoek (Delft, Olanda, 1632-1723) dopo aver ricevutoun’istruzione molto sommaria, si dedicò ad attività commercialidapprima ad Amsterdam poi nella sua città natale; dal 1660 in poiebbe un modesto impiego al comune. Leeuwenhoek fu un tecnico abilissimoed un osservatore sagace; costruì dei piccoli microscopi, e descrissetutto ciò che vedeva in una serie di resoconti che inviava periodicamentealla Royal Society. Ben presto si assicurò una fama europea, tantoche illustri personaggi, fra cui lo zar Pietro il Grande, visitarono ilsuo laboratorio.
Il microscopio di Leeuwenhoek, mirabile per la sua semplicità,era costituito da una piccola lente biconvessa montata fra due piastrine metalliche. Un ingegnoso sistema di viti consentiva di mettere a fuocol’oggetto da osservare, di spostarlo lateralmente e di ruotarlo.
Ogni organismo, vegetale (M.J. Schleiden, 1838) ed animale (T. Schwan,1839), è formato da cellule e da derivati cellulari. Anche i tumori,siano essi benigni o maligni, sono costituiti da cellule (J. Muller, 1838).Sembra inoltre evidente che ogni cellula debba essere necessariamente prodottada un’altra cellula. In seguito, con il progredire delle ricerche, si èaccertato che esistono dei processi fondamentali identici per tutte lecellule, sia per quanto riguarda la composizione chimica ed il metabolismo,sia per ciò che concerne i caratteri ereditari, che si trasmettonoda un elemento all'altro secondo modalità ben definite.
Aspetti evolutivi
Il dogma dell'omnis cellula e cellula sostituì il vecchioconcetto della generazione spontanea. Nel XVII secolo si credeva che lavita nascesse dalla materia in decomposizione, che i vermi provenisserodal fango e le mosche dai cibi guasti. Nel 1862 L. Pasteur dimostròche i microrganismi sono presenti dovunque, e quelli che si osservano inlaboratorio nei terreni di coltura derivano sempre, per contaminazione,da altri germi. Se un brodo di carne viene isolato dall'ambiente e fattobollire, in esso non si svilupperà mai alcuna forma batterica. Quindi- egli concluse - la vita non sorge spontaneamente, non può cheprovenire dalla vita: omne vivum e vivo. Questo passaggio dialettico arrestòper quasi un secolo il progresso del pensiero scientifico. Come spiegarel'origine della vita? Se poniamo accanto ad un sasso un coniglietto, èdifficile immaginare che essi abbiano qualcosa in comune, eppure ècosì: la vita è scaturita dalla materia inerte, ma non daun momento all'altro, bensì nel corso di miliardi di anni. E' stato C. Darwin (1809-1882) ad introdurre il concetto fondamentaledalla durata dei processi evolutivi. Darwin è passato alla storia per aver esemplificato i principi dello sviluppo delle specie viventi dallaprima cellula fino all'uomo, attraverso modifiche, variazioni e selezioninaturali. Ma spesso si dimentica che egli riteneva che, prima della comparsadelle cellule, sulla terra si erano verificati fenomeni evolutivi a livellomolecolare. Intuì anche che attualmente è impossibile osservarein natura tali fenomeni: se oggi vi fosse un piccolo insieme di molecolecapaci di evolvere, sarebbero distrutte dalle specie viventi attuali: comeosserva J. de Rosnay, "la vita, una volta apparsa, ha in effetti invasotutto, ha divorato le proprie radici ed impedito che altri tipi di evoluzionepotessero svilupparsi simultaneamente". (La plus belle istoire du monde,Edition du Seuil, Paris, 1996). Nel 1950, T. de Chardin riprende l'ideadell'evoluzione della materia, e parla di una pre-vita, che si sarebbeprodotta all'epoca della terra primitiva. Ci ha pensato a simularla inlaboratorio nel 1952 S. Miller, un chimico venticinquenne. Mise in unaboccia i gas che si ritiene abbiano costituito in tempi remoti la nostraatmosfera (metano, ammoniaca, idrogeno, vapore acqueo ed anidride carbonica),aggiunse dell'acqua, riscaldò il tutto e lo sottopose per una settimanaad una serie di scariche elettriche. In fondo alla boccia comparve unasostanza bruno-arancione, che conteneva aminoacidi, le molecole costitutivedegli organismi viventi. Il primo ponte tra la materia inorganica e lavita era stato gettato.
La cellula e gli organismi pluricellulari
La citologia è la scienza che studia le cellule; il suo sviluppoè stato determinato da due fattori intimamente connessi: il progressodella tecnologia e l’evoluzione della speculazione teorica. Le apparecchiaturedi cui attualmente disponiamo sono moltissime, ed il loro nome èquasi sempre associato al prefisso micro: microscopio, micropipetta, micromanipolatore,microelettrodo. Con questi strumenti possiamo osservare le cellule, penetrarein esse, compiervi delicatissimi interventi chirurgici, iniettarvi o prelevarnesostanze, derivarne i potenziali elettrici e così via. Ad ogni modo,la matrice artigiana degli strumenti scientifici non deve essere dimenticata:come osserva Geymonat, ancora una volta appare evidente che alle originidella scienza moderna si configuri l’instaurarsi di un proficuo connubiotra il mondo della pratica e quello della teoria.
Gli organismi viventi sono strutturati in maniera complessa ed organizzata,e ciascuna parte di essi adempie ad un particolare compito. In una personaci è dato osservare occhi, naso, bocca, mani ed altro, delegatia svolgere funzioni completamente diverse, reciprocamente integrate. Passandodal macroscopico al microscopico, notiamo che lo stesso fenomeno si riscontraa livello cellulare, dove esistono strutture variamente specializzate.Ciascuna cellula è costituita da diverse parti, che svolgono compitidifferenti, ed anche le singole componenti chimiche di essa posseggonouna funzione specifica. Vi è dunque una sorta di gerarchia, che procede dal sempliceal complesso, ma non è detto che un costituente elementare sia menoimportante dell’insieme più ampio di cui entra a far parte, perchépuò accadere che una molecola di piccole dimensioni sia in gradodi influenzare il comportamento di un’intera cellula, coinvolgendo in alcunicasi tutto l’organismo.
Un uomo si caratterizza, fra l’altro, per il peso che si esprime inchilogrammi (Kg) e per l’altezza, che si esprime in centimetri (cm): sonoalto 171 cm e peso 64 Kg. Siamo al livello macroscopico, ma ovviamenteanche i mondi microscopico, ultramicroscopico, molecolare, atomico e subatomicohanno una lunghezza ed un peso: si è convenuto di assegnare all’atomodi idrogeno la massa di un dalton; a sua volta, 1 dalton = 1,67 x 10-24g. Tra l’uomo e l’atomo di idrogeno vi è tutta una serie di struttureintermedie, che si misurano seguendo le indicazioni, universalmente accettate,del Système International d’Unites (SI). Tale sistema è deltipo decimale, nel senso che ciascuna unità è la decima partedi quella che la segue e dieci volte quella che la precede: ad esempio,un decimetro è la decima parte del metro, un chilogrammo vale dieciettogrammi, e così via. Per tornare all'esempio che ho portato prima, il mio corpo ècostituito da circa 10.000 miliardi di cellule; il diametro di ciascunadi esse non è uniforme ma varia, a seconda del tessuto cui l'elementocellulare appartiene, da 10 a 30 micron (millesimo di millimetro, che siindica con la lettera m dell'alfabeto greco, m).
Tutte le cellule sono costituite da quattro tipi di molecole, che perle loro grandi dimensioni sono chiamate macromolecole: i lipidi, i polisaccaridi,le proteine e gli acidi nucleici. I lipidi (o grassi) sono sostanze costituite da una catena idrocarburicalegata ad un gruppo funzionale, che può essere alcoolico, aldeidico,acido o aminico. I lipidi entrano nella costituzione delle membrane cellularie rappresentano una riserva energetica.
Per polimero si intende un composto di elevato peso molecolare, rappresentatoda un gran numero di molecole uguali (omopolimero) o diverse (copolimero)legate fra loro. I polisaccaridi sono generalmente omopolimeri, costituiti dall'unionedi zuccheri semplici come il glucosio. Il glicogene negli animali e l'amidonei vegetali sono un esempio di polimeri, che fungono da materiale di riserva.
Le proteine sono copolimeri, formati dall'unione di un numero abbastanzaconsistente di aminoacidi. Questi sono rappresentati da venti tipi di molecolediverse. Ciascuna di esse contiene al centro un atomo di carbonio, cuisono legati un atomo di idrogeno, un gruppo aminico, un gruppo carbossilicoed un residuo, che varia a seconda del tipo di aminoacido.
Infine, gli acidi nucleici, le molecole più grandi presentinella cellula, sono copolimeri costituiti da lunghe catene di nucleotidi.Ne parlerò nelle pagine seguenti.
Le parti della cellula
Pur esistendo nel nostro organismo diversi tipi di cellula, ciascunodei quali adempie a determinate funzioni, è possibile individuarein esse delle strutture comuni: le membrane, il citoplasma, la cromatinae gli organuli citoplasmatici. A sua volta, la cromatina può esseresparsa all'interno della cellula, o comunque non essere ben delimitata.Le cellule, o per meglio dire i microrganismi, che posseggono tale caratteristicasi chiamano procarioti. Al contrario, nelle cellule degli eucarioti lacromatina è nettamente circoscritta da una membrana, dando luogoad una particolare configurazione endocellulare, che prende il nome di nucleo.
La moltiplicazione cellulare
Nei procarioti l'informazione genetica risiede in un'unica molecoladi DNA, il crormosoma, mente negli eucarioti è distribuitain un certo numero di molecole di DNA, variabile in funzione della speciecui la cellula appartiene. Anche in questo caso le molecole prendono ilnome di cromosomi; il loro numero (numero cromosomico) si indica con lalettere n. Le cellule che contengono il numero di cromosomi caratterisico dellaspecie si dicono aploidi, quelle che contengono una coppia di ciascun cromosomasi chiamano diploidi. Le cellule del corpo umano (somatiche) sono diploidi,e caratterizzate da 46 cromosomi disposti in 23 coppie (n = 23); l'ovuloe lo spermatozoo (cellule germinali) sono aploidi.
Le cellule si riproducono dando luogo a cellule figlie. Il momentoin cui la cellula si divide, e l'intervallo di tempo che passa tra dueriproduzioni consecutive, sono regolati geneticamente, e cambiano a secondadel tipo di cellula. I batteri si moltiplicano per scissione binaria: daun germe se ne formano due, da due quattro, da quattro otto e cosìvia, in una progressione geometrica che è teoricamente illimitata,ma in pratica dipende dalle condizioni ambientali, tra cui in primo luogola disponibilità di sostanze nutritive.
Le cellule eucariote si moltiplicano con due modalità diverse,l'una sessuata, l'altra asessuata. La riproduzione asessuata è moltosimile a quella dei batteri; nella riproduzioine sessuata invece il nuovoorganismo nasce dall'unione di due cellule, maschile e femminile, dettegameti. Le cellule sessuali sono aploidi, e traggono origine da un processodetto meiosi, che in greco significa riduzione. Infatti, nella meiosi ilnumero di cromosomi si dimezza: da un elemento progenitore diploide, attraversoun processo costituito da una duplicazione dei cromosomi e da due successivedivisioni del nucleo, si producono quattro cellule aploidi. L'uovo èaploide, e così pure lo spermatozoo: dall'unione di queste due celluleha luogo la formazione dello zigote, la cellula uovo fecondata, diploide.La meiosi, che interessa soltanto le cellule germinali, è dunquefinalizzata al mantenimento, nelle generazioni successive, del corredoappropriato dei cromosomi. Le cellule somatiche traggono origine da unprocesso che si chiama mitosi, in cui il numero dei cromosomi viene raddoppiato,da 2 n a 4 n. Si ha quindi la divisione della cellula per scissione binaria,ed ognuna delle due figlie avrà un numero diploide di cromosomi.
La cellula come un insieme di sistemi integrati
M. Minsky, il padre dell'intelligenza artificiale, ha fatto osservareche fino a quando le cellule furono concepite come recipienti di fluidoentro cui innumerevoli sostanze possono interagire liberamente, non sifece alcun significativo progresso. Poi le cose cambiarono, ed oggi sappiamoche la cellula somiglia ad una fabbrica contenente sistemi che sono separatida pareti, con porte che si aprono solo ai componenti che recano con séla chiave giusta.
Negli anni sessanta è stato introdotto l’uso del microscopioelettronico ad alto voltaggio, molto più potente degli strumentiimpiegati prima, che utilizza differenze di potenziale dell’ordine di unmilione di volt, ossia circa dieci volte maggiori di quelle usate nei comunimicroscopi elettronici. Oltre all’aumento del potere di risoluzione questo apparecchio, chesfrutta elettroni accelerati e quindi molto penetranti, permette di ottenerebuone immagini tridimensionali degli organuli endocellulari e forniscepreziose informazioni sui rapporti che intercorrono tra loro.
La morfologia delle strutture cellulari è stata cosìoggetto di ulteriore approfondimento. In particolare, per quanto riguardail citoplasma, si è visto che in esso vi è una sottile intelaiatura,il reticolo microtrabecolare, che ha un aspetto simile a quello del tessutoosseo spugnoso. Le microtrabecole hanno diametro variabile da quarantaa cento A e presentano un asse maggiore che va da poche centinaia di Aa mille A. Gli organuli endocellulari contraggono intimo rapporto con lemicrotrabecole, costituendo un'unità morfofunzionale detta citoplasto.
Alcuni organuli assumono una collocazione ben precisa nell’ambito delreticolo: per esempio i polisomi, formati da gruppi di ribosomi, sono postipresso i punti d’intersezione delle trabecole. Il reticolo microtrabecolaredivide il citoplasma in due parti ben distinte: l’una, costituita dalletrabecole, è formata a sua volta da proteine polimeriche e contrattiliquali l’actina e la miosina, l’altra invece è fluida, e riempiegli spazi intratrabecolari.
Le membrane
Tutte le cellule sono circondate da una sottile membrana, che espletaun ruolo importantissimo, perchè separa il citoplasma dal liquidointerstiziale e consente il trasporto di sostanze dall’interno all’esternodella cellula e viceversa. L’involucro, qualunque esso sia, è condizioneindispensabile per definire un essere vivente che, come fa rilevare VonFoerster, è sempre avvolto in una pelle. L'ambiente chiuso èindispensabile alla vita. In laboratorio, possiamo mettere insieme olio,zuccheri ed acqua ed agitare la miscela: si otterrà un'emulsionedi goccioline, che viste al microscopio rassomigliano a cellule. Spontaneamente,le molecole dei grassi si dispongono all'esterno, costituendo una speciedi membrana continua a doppio strato (bilayer); fatto importante, le gocciolinehanno tutte un'eguale misura, in cui si realizza un equilibrio tra peso,volume e resistenza della membrana lipidica. Ecco perché le celluleviventi, che sono evolute da strutture primordiali di questo tipo, hannotutte pressappoco le stesse dimensioni, comprese, come ho già fattocenno, tra 10 e 30 m.
Le membrane interne circondano i diversi organuli citoplasmatici comeil nucleo (negli eucarioti), i mitocondri ed i ribosomi. Anche queste strutturesvolgono funzioni di primo piano: ad esempio la membrana che riveste imitocondri è il luogo dove si forma l’adenosintrifosfato (ATP),che rappresenta il combustibile per tutti i processi metabolici della cellula. La membrana citoplasmatica e le membrane interne sono essenzialmentefatte alla stessa maniera, essendo tutte costituite da proteine, lipidie piccole quantità di carboidrati, uniti questi ultimi sia ai lipidi(glicolipidi) che alle proteine (glicoprotidi).
I lipidi rappresentano comunque la metà circa della massa dellemembrane. In particolare, i grassi che entrano a far parte delle membraneinterne sono rappresentati pressocchè esclusivamente da fosfolipidi,mentre la membrana citoplasmatica contiene fosfolipidi, glicolipidi e lipidineutri. La molecola fosfolipidica ha un’interessante configurazione, rappresentatada una testa, una regione intermedia e due filamenti o code, che sono lunghecatene di acidi grassi. La regione intermedia, definita da C.F. Fox spinadorsale, è formata da una molecola di glicerolo.
Le code delle molecole fosfolipidiche tendono ad allontanarsi dall’acquae sono perciò idrofobe, mentre le teste, solubili in acqua, sonoidrofile. L’intera molecola, che possiede quindi un estremo idrofilo el’altro idrofobo, è detta anfipatica. Nell’ambito delle membrane,i lipidi formano un doppio strato e le loro molecole sono disposte in modoche le teste, idrofile, sono a contatto dei liquidi intra ed extracellulare,mentre le code, idrofobe, costituiscono lo spessore della membrana. Ilbilayer di lipidi rappresenta lo scheletro della membrana: ha uno spessoredi circa 45 A, ed è il punto di ancoraggio di altri complessi molecolari,vale a dire le proteine e le glicoproteine. Queste sostanze possono agirecon differenti modalità, tra cui ricordo quella enzimatica, oppurepossono rientrare nella costituzione di particolari meccanismi detti pompe,delegati al trasporto attivo di materiale dentro e fuori la cellula, odentro e fuori gli organuli citoplasmatici. La costituzione chimica delleproteine e delle glicoproteine varia a seconda dei tipi di membrana, conferendoloro specifiche attitudini funzionali.
La posizione delle proteine della membrana rispetto ai lipidi consentedi suddividere le proteine stesse in due gruppi. Il primo gruppo ècostituito da molecole estrinseche, che contraggono rapporto soltanto conuna delle due superfici, interna oppure esterna, della membrana. Le proteine intrinseche invece, penetrano nel contesto della membranainsinuandosi nel doppio strato lipidico, ed alcune volte lo attraversanocompletamente, stabilendo quindi rapporto con ambo le superfici della membrana.Tali caratteristiche strutturali favoriscono il distacco delle proteineestrinseche dalla membrana, mentre quelle intrinseche vi sono saldamenteancorate. Le proteine estrinseche sono praticamente circondate da acqua,quelle intrinseche sono a contatto sia col mezzo liquido, sia con le codeidrofobe dei lipidi. Per questi motivi anche tali proteine sono anfipatiche:le porzioni molecolari esposte all’acqua sono costituite da aminoacidiidrofili, mentre quelle che attraversano a tutto spessore il doppio strato,sono caratterizzate da una sequenza relativamente breve di aminoacidi idrofobi.
Le membrane non sono strutture statiche, nel senso che sia i lipidiche le proteine posseggono una notevole libertà di movimento. Inparticolare, il doppio strato lipidico si presenta fluido: il fenomenoè riconducibile al fatto che le code delle molecole dei lipidi,costituite da acidi grassi, sono libere di muoversi. Nelle membrane esisteun gradiente di flessibilità, che va aumentando progressivamente,man mano che ci avviciniamo al centro del bilayer: qui le code sottilidei fosfolipidi ondeggiano, con spostamenti piuttosto ampi, come potrebberofluttuare in mare le pinne argentate di una sirena. Le molecole del doppiostrato posseggono quindi dei movimenti di lateralità abbastanzaampi, e la membrana nel suo insieme assume la consistenza di un olio leggero. Sembra che i movimenti di lateralità, almeno per quanto riguardala membrana citoplasmatica, siano provocati soprattutto dal cambiamentodi forma di alcune molecole proteiche retrattili, quali l'actina e la miosina,che entrano nella costituzione del reticolo microtrabecolare.
Anche le proteine sono dotate di movimenti, infatti si sono osservatidei fenomeni di diffusione laterale nel contesto del doppio strato; sembracomunque che per alcune membrane la distribuzione spaziale delle proteinesia fissa, ben determinata e con movimenti assai limitati o pressocchènulli.
La comunicazione cellulare
Gli organismi rappresentati da una sola cellula sono in rapporto, tramitela membrana citoplasmatica, con l'ambiente circostante, da cui traggonoenergia e nutrienti ed in cui versano i prodotti di rifiuto. Inoltre, questimicrorganismi prendono contatto e scambiano informazioni con altre struttureviventi, sia della stessa che di altre specie, presenti nel mezzo circostante.Gli organismi pluricellulari, che comunicano con l'esterno tramite le strutture(cute, mucose ecc.) che li rivestono, sono rappresentati da un insiemepiù o meno ampio di cellule, che scambiano messaggi fra loro convarie modalità. Ogni cellula è potenzialmente in grado dicorrispondere con tutte le altre cellule dell'organismo; in un certo senso,è assimilabile alla monade, descritta da Leibniz come una delle infinite unità (centri di forza o di coscienza) che costituiscono l'universo.
I messaggi che partono da una cellula per raggiungerne un'altra possonoincamminarsi per una via breve, quando vi è reciproca contiguità,o per una via più lunga, quando tra le cellule intercorre una certadistanza. Nel primo caso, la funzione di veicolo di informazione vieneespletata da particolari molecole, legate alla membrana citoplasmatica,che adempiono al compito di influenzare il comportamento di altre cellulecon cui sono, o possono venire, a contatto. Un rapporto ancora piùintimo è rappresentato dalle gap junctions, letteralmente giunzionicon breccia: sono dei veri e propri canali, che uniscono i citoplasmi didue o più elementi vicini, e consentono il massimo di interazionepossibile. Quando invece le cellule sono distanziate, la comunicazioneavviene con modalità diverse.
La maggior parte delle cellule produce sostanze che diffondono nelmezzo circostante. Alcune di esse, comunemente definite col termine dimediatori chimici locali, restano integre solo per brevissimo tempo, poivengono inattivate, quindi riescono ad agire soltanto sugli elementi cellularipiù vicini. Le cellule nervose contraggono rapporto reciproco mediante connessioni(sinapsi), separate da un breve spazio libero (fessura sinaptica). Attraversola fessura passano i neurotrasmettitori, che assicurano lo scambio di informazionitra una cellula e un'altra. Esistono anche neuroni che posseggono proprietà miste, cioècomuni sia alle cellule nervose che a quelle endocrine. Essi, oltre a disporredi prolungamenti atti a trasportare gli impulsi, sono anche dotati di propaggini,mediante cui liberano molecole segnale nel torrente circolatorio. Sonoqueste le cellule neurosecretrici, localizzate nell'ipotalamo.
Le cellule endocrine, infine, fabbricano ed immettono nel sangue gliormoni, che raggiungono cellule bersaglio situate a distanza.
