Cosa fanno tutte le parti di una cellula?

Le cellule sono i mattoni fondamentali della vita. Meno poeticamente, sono le più piccole unità di esseri viventi che conservano tutte le proprietà di base associate alla vita stessa (ad esempio, sintesi proteica, consumo di carburante e materiale genetico). Di conseguenza, nonostante le loro piccole dimensioni, le cellule devono svolgere un'ampia varietà di funzioni, sia coordinate che indipendenti. Questo a sua volta significa che devono contenere un'ampia gamma di parti fisiche distinte.

La maggior parte degli organismi procarioti è costituita da una sola cellula, mentre i corpi degli eucarioti come te contengono trilioni. Le cellule eucariotiche contengono strutture specializzate chiamate organelli, che includono una membrana simile a quella che circonda l'intera cellula. Questi organelli sono le truppe di terra della cellula, che si assicurano continuamente che tutte le necessità della cellula siano soddisfatte momento per momento.

Tutte le cellule contengono, come minimo assoluto, una membrana cellulare, materiale genetico e citoplasma, chiamato anche citosol. Questo materiale genetico è l'acido desossiribonucleico o DNA. Nei procarioti, il DNA è raggruppato in una parte del citoplasma, ma non è racchiuso da una membrana perché solo gli eucarioti hanno un nucleo. Tutte le cellule hanno una membrana cellulare costituita da un doppio strato fosfolipidico; le cellule procariotiche hanno una parete cellulare direttamente al di fuori della membrana cellulare per una maggiore stabilità e protezione. Anche le cellule delle piante, che insieme a funghi e animali sono eucarioti, hanno pareti cellulari.

Tutte le cellule hanno anche ribosomi. Nei procarioti, questi galleggiano liberamente nel citoplasma; negli eucarioti sono tipicamente legati al reticolo endoplasmatico. I ribosomi sono spesso classificati come un tipo di organello, ma in alcuni schemi non si qualificano come tali perché mancano di una membrana. Non etichettare gli organelli dei ribosomi rende coerente lo schema "solo gli eucarioti hanno organelli". Questi organelli eucarioti comprendono, oltre al reticolo endoplasmatico, i mitocondri (o nelle piante, i cloroplasti), i corpi di Golgi, i lisosomi, i vacuoli e il citoscheletro.

La membrana cellulare, chiamata anche membrana plasmatica, è un confine fisico tra l'ambiente interno della cellula e il mondo esterno. Tuttavia, non confondere questa valutazione di base con il suggerimento che il ruolo della membrana cellulare sia semplicemente protettivo o che la membrana sia semplicemente una sorta di linea di proprietà arbitraria. Questa caratteristica di tutte le cellule, sia procariotiche che eucariotiche, è il prodotto di alcuni miliardi di anni di evoluzione ed è in infatti una meraviglia multifunzionale e dinamica che probabilmente funziona più come un'entità con un'intelligenza genuina che come una semplice... barriera.

La membrana cellulare è notoriamente costituita da un doppio strato di fosfolipidi, il che significa che è composta da due strati identici costituiti da molecole di fosfolipidi (o più propriamente, fosfoglicerolipidi). Ogni singolo strato è asimmetrico, costituito da singole molecole che hanno una sorta di relazione con i calamari o con palloncini che portano alcune nappe. Le "teste" sono le porzioni di fosfato, che hanno uno squilibrio di carica elettrochimica netta e sono quindi considerate polari. Poiché anche l'acqua è polare e poiché le molecole con proprietà elettrochimiche simili tendono ad aggregarsi, questa parte del fosfolipide è considerata idrofila. Le "code" sono lipidi, in particolare una coppia di acidi grassi. A differenza dei fosfati, questi sono privi di carica e quindi idrofobici. Il fosfato è attaccato a un lato di un residuo di glicerolo a tre atomi di carbonio nel mezzo della molecola e i due acidi grassi sono uniti all'altro lato.

Poiché le code lipidiche idrofobe si associano spontaneamente tra loro in soluzione, il doppio strato è disposto in modo che i due so gli strati di fosfato sono rivolti verso l'esterno e verso l'interno della cellula, mentre i due strati lipidici si mescolano all'interno della doppio strato. Ciò significa che le doppie membrane sono allineate come immagini speculari, come i due lati del tuo corpo.

La membrana non si limita a impedire alle sostanze nocive di raggiungere l'interno. È selettivamente permeabile, consentendo l'ingresso di sostanze vitali ma escludendone altre, come il buttafuori in una discoteca alla moda. Consente inoltre selettivamente l'espulsione dei prodotti di scarto. Alcune proteine ​​incorporate nella membrana agiscono come pompe ioniche per mantenere l'equilibrio (equilibrio chimico) all'interno della cellula.

Il citoplasma cellulare, chiamato alternativamente citosol, rappresenta lo stufato in cui "nuotano" i vari componenti della cellula. Tutte le cellule, procariote ed eucariote, hanno un citoplasma, senza il quale la cellula non potrebbe avere un'integrità strutturale più di quanto potrebbe un palloncino vuoto.

Se hai mai visto un dessert di gelatina con pezzi di frutta incorporati all'interno, potresti pensare alla gelatina stesso come il citoplasma, il frutto come organelli e il piatto che contiene la gelatina come membrana cellulare o cellula parete. La consistenza del citoplasma è acquosa e viene anche chiamata matrice. Indipendentemente dal tipo di cellula in questione, il citoplasma contiene una densità molto più elevata di proteine ​​e "macchine" molecolari rispetto all'acqua dell'oceano o a qualsiasi altra cellula non vivente. ambiente, che è una testimonianza del lavoro svolto dalla membrana cellulare nel mantenere l'omeostasi (un'altra parola per "equilibrio" applicata agli esseri viventi) all'interno cellule.

Nei procarioti, il materiale genetico della cellula, il DNA che utilizza per riprodurre e dirigere il resto della cellula per produrre prodotti proteici per l'organismo vivente, si trova nel citoplasma. Negli eucarioti, è racchiuso in una struttura chiamata nucleo.

Il nucleo è delimitato dal citoplasma da un involucro nucleare, che è fisicamente simile alla membrana plasmatica della cellula. L'involucro nucleare contiene pori nucleari che consentono l'afflusso e l'uscita di determinate molecole. Questo organello è il più grande di qualsiasi cellula, rappresenta fino al 10% del volume di una cellula ed è facilmente visibile utilizzando qualsiasi microscopio abbastanza potente da rivelare le cellule stesse. Gli scienziati sono a conoscenza dell'esistenza del nucleo sin dal 1830.

All'interno del nucleo c'è la cromatina, il nome della forma che il DNA assume quando la cellula non si prepara a dividersi: arrotolata, ma non separata in cromosomi che appaiono distinti al microscopio. Il nucleolo è la parte del nucleo contenente il DNA ricombinante (rDNA), il DNA dedicato alla sintesi dell'RNA ribosomiale (rRNA). Infine, il nucleoplasma è una sostanza acquosa all'interno dell'involucro nucleare analogo al citoplasma nella cellula propriamente detta.

Oltre a immagazzinare materiale genetico, il nucleo determina quando la cellula si dividerà e si riprodurrà.

I mitocondri si trovano negli eucarioti animali e rappresentano le "centrali energetiche" delle cellule, poiché questi organelli oblunghi sono il luogo in cui avviene la respirazione aerobica. La respirazione aerobica genera da 36 a 38 molecole di ATP, o adenosina trifosfato (la principale fonte di energia delle cellule) per ogni molecola di glucosio (la valuta energetica finale del corpo) che consuma; la glicolisi, invece, che non necessita di ossigeno per procedere, genera solo circa un decimo di questa energia (4 ATP per molecola di glucosio). I batteri possono cavarsela con la sola glicolisi, ma gli eucarioti no.

La respirazione aerobica avviene in due fasi, in due luoghi diversi all'interno dei mitocondri. Il primo passo è il ciclo di Krebs, una serie di reazioni che avvengono sulla matrice mitocondriale, che è affine al nucleoplasma o al citoplasma altrove. Nel ciclo di Krebs – detto anche ciclo dell'acido citrico o ciclo dell'acido tricarbossilico – due molecole di piruvato, una molecola a tre atomi di carbonio prodotta nella glicolisi, entra nella matrice per ogni molecola di glucosio a sei atomi di carbonio consumato. Lì, il piruvato subisce un ciclo di reazioni che generano materiale per ulteriori cicli di Krebs e, inoltre, importante, portatori di elettroni ad alta energia per il prossimo passo nel metabolismo aerobico, il trasporto di elettroni catena. Queste reazioni avvengono sulla membrana mitocondriale e sono il mezzo attraverso il quale le molecole di ATP vengono liberate durante la respirazione aerobica.

Animali, piante e funghi sono gli eucarioti degni di nota che attualmente abitano la Terra. Mentre gli animali fanno uso di glucosio e ossigeno per generare carburante, acqua e anidride carbonica, le piante utilizzano acqua, anidride carbonica e l'energia del sole per alimentare la produzione di ossigeno e glucosio. Se questa disposizione non sembra una coincidenza, non lo è; il processo che le piante impiegano per le loro esigenze metaboliche si chiama fotosintesi, ed è essenzialmente una respirazione aerobica che si svolge esattamente nella direzione opposta.

Poiché le cellule vegetali non scompongono i sottoprodotti del glucosio usando l'ossigeno, non hanno o non hanno bisogno di mitocondri. Invece, le piante possiedono cloroplasti, che in effetti convertono l'energia luminosa in energia chimica. Ogni cellula vegetale ha da 15 o 20 a circa 100 cloroplasti, che, come i mitocondri nelle cellule animali, si ritiene che una volta esistessero come autoportanti batteri nei giorni prima che gli eucarioti si evolvessero dopo aver apparentemente inghiottito questi organismi più piccoli e aver incorporato il meccanismo metabolico di questi batteri nel loro proprio.

Se i mitocondri sono le centrali elettriche delle cellule, i ribosomi sono le fabbriche. I ribosomi non sono legati da membrane e quindi non sono tecnicamente organelli, ma sono spesso raggruppati con veri organelli per comodità.

I ribosomi si trovano nel citoplasma dei procarioti e degli eucarioti, ma su questi ultimi sono spesso attaccati al reticolo endoplasmatico. Consistono di circa il 60% di proteine ​​e circa il 40% di rRNA. L'rRNA è un acido nucleico, come il DNA, l'RNA messaggero (mRNA) e l'RNA di trasferimento (tRNA).

I ribosomi esistono per un semplice motivo: produrre proteine. Lo fanno attraverso il processo di traduzione, che è la conversione delle istruzioni genetiche codificate nell'rRNA tramite il DNA in prodotti proteici. I ribosomi assemblano proteine ​​dai 20 tipi di amminoacidi nel corpo, ognuno dei quali viene trasportato al ribosoma da un particolare tipo di tRNA. L'ordine in cui vengono aggiunti questi amminoacidi è specificato dall'mRNA, ognuno dei quali contiene le informazioni derivate da un singolo Gene del DNA – ovvero una lunghezza di DNA che funge da modello per un singolo prodotto proteico, sia esso un enzima, un ormone o un occhio pigmento.

La traduzione è considerata la terza e ultima parte del cosiddetto dogma centrale della biologia su piccola scala: il DNA produce l'mRNA e l'mRNA produce, o almeno porta istruzioni per, le proteine. Nel grande schema, il ribosoma è l'unica parte della cellula che si affida simultaneamente a tutti e tre i tipi standard di RNA (mRNA, rRNA e tRNA) per funzionare.

La maggior parte degli organelli rimanenti sono vescicole o "sacche" biologiche di qualche tipo. I corpi del Golgi, che all'esame microscopico presentano una caratteristica disposizione a "pila di frittelle", contengono proteine ​​di nuova sintesi; i corpi del Golgi li rilasciano in piccole vescicole pizzicandoli, a quel punto questi piccoli corpi hanno la loro membrana chiusa. La maggior parte di queste piccole vescicole finisce nel reticolo endoplasmatico, che è come un'autostrada o un sistema ferroviario per l'intera cellula. Alcuni tipi di endoplasmatici hanno molti ribosomi attaccati, che danno loro un aspetto "ruvido" al microscopio; di conseguenza, questi organelli vanno sotto il nome di reticolo endoplasmatico ruvido o RER. Al contrario, il reticolo endoplasmatico privo di ribosomi è chiamato reticolo endoplasmatico liscio o SER.

Le cellule contengono anche lisosomi, vescicole che contengono potenti enzimi che abbattono i rifiuti o i visitatori indesiderati. Questi sono come la risposta cellulare a una squadra di pulizia.