La struttura e la funzione di una cellula

Le cellule rappresentano gli oggetti più piccoli, o almeno i più irriducibili, che presentano tutte le qualità associate alla prospettiva magica chiamata "vita", come metabolismo (estrazione di energia da fonti esterne per alimentare processi interni) e riproduzione. A questo proposito, occupano la stessa nicchia in biologia degli atomi in chimica: possono certamente essere scomposti in pezzi più piccoli, ma da soli, quei pezzi non possono davvero fare molto. In ogni caso, il corpo umano ne contiene certamente molti – ben oltre 30 trilioni (sono 30 milioni milioni).

Un ritornello comune sia nelle scienze naturali che nel mondo dell'ingegneria è "la forma si adatta alla funzione". Questo essenzialmente significa che se qualcosa ha un determinato lavoro da svolgere, probabilmente sembrerà che sia in grado di farlo quel lavoro; al contrario, se qualcosa sembra essere fatto per svolgere un determinato compito o compiti, allora ci sono buone probabilità che sia esattamente ciò che fa quella cosa.

L'organizzazione delle cellule e i processi che svolgono sono intimamente correlati, persino inseparabili, e padroneggiano il basi della struttura e della funzione cellulare è sia gratificante in sé che necessario per comprendere appieno la natura della vita of cose.

Il concetto di materia - sia vivente che non vivente - come costituito da un vasto numero di unità discrete e simili è esistito dal tempo di Democrito, uno studioso greco la cui vita ha attraversato il V e il IV secolo a.C. Ma poiché le cellule sono troppo piccole per essere viste con il a occhio nudo, fu solo nel XVII secolo, dopo l'invenzione dei primi microscopi, che chiunque fu in grado di visualizzare effettivamente loro.

A Robert Hooke viene generalmente attribuito il merito di aver coniato il termine "cella" in un contesto biologico nel 1665, sebbene il suo lavoro in quest'area si sia concentrato sul sughero; circa 20 anni dopo, Anton van Leeuwenhoek scoprì i batteri. Tuttavia, sarebbero trascorsi ancora diversi secoli prima che le parti specifiche di una cellula e le loro funzioni potessero essere chiarite e descritte completamente. Nel 1855, lo scienziato relativamente oscuro Rudolph Virchow teorizzò, correttamente, che le cellule viventi possono provenire solo da altre cellule viventi, anche se le prime osservazioni sulla replicazione cromosomica erano ancora lontane un paio di decenni.

I procarioti, che abbracciano i domini tassonomici Batteri e Archaea, esistono da circa tre miliardi e mezzo di anni, che è circa tre quarti dell'età della Terra stessa. (Tassonomia è la scienza che si occupa della classificazione degli esseri viventi; dominio è la categoria di livello più alto all'interno della gerarchia.) Gli organismi procarioti di solito consistono in una sola cellula.

Gli eucarioti, il terzo dominio, includono animali, piante e funghi, in breve, qualsiasi cosa viva che puoi effettivamente vedere senza strumenti di laboratorio. Si ritiene che le cellule di questi organismi siano sorte da procarioti a causa di endosimbiosi (dal greco da "convivere dentro"). Circa 3 miliardi di anni fa, una cellula ha inghiottito un batterio aerobico (che utilizzava ossigeno), che serviva agli scopi di entrambe le forme di vita perché il batterio "inghiottito" ha fornito un mezzo di produzione di energia per la cellula ospite fornendo un ambiente di supportoive per il endosimbionte.
Leggi di più sulle somiglianze e le differenze delle cellule procariotiche ed eucariotiche.

Le cellule variano ampiamente per dimensioni, forma e distribuzione del loro contenuto, specialmente nel regno degli eucarioti. Questi organismi sono molto più grandi e molto più diversi dei procarioti, e nello spirito della "forma" fit function" di cui si è fatto riferimento in precedenza, queste differenze sono evidenti anche a livello delle singole celle.

Consulta qualsiasi diagramma cellulare e, indipendentemente dall'organismo a cui appartiene la cellula, hai la certezza di vedere determinate caratteristiche. Questi includono a membrana plasmatica, che racchiude il contenuto cellulare; il citoplasma, che è un mezzo gelatinoso che forma la maggior parte dell'interno della cellula; acido desossiribonucleico (DNA), il materiale genetico che le cellule passano alle cellule figlie che si formano quando una cellula si divide in due durante la riproduzione; e ribosomi, che sono strutture che sono i siti della sintesi proteica.

I procarioti hanno anche una parete cellulare esterna alla membrana cellulare, così come le piante. Negli eucarioti il ​​DNA è racchiuso in un nucleo, che possiede una propria membrana plasmatica molto simile a quella che circonda la cellula stessa.

La membrana plasmatica delle cellule è costituita da a doppio strato di fosfolipidi, la cui organizzazione deriva dalle proprietà elettrochimiche delle sue parti costituenti. Le molecole di fosfolipidi in ciascuno dei due strati include idrofilo "teste", che sono attratte dall'acqua a causa della loro carica, e idrofobico "code", che non sono cariche e quindi tendono a puntare lontano dall'acqua. Le porzioni idrofobe di ogni strato si fronteggiano all'interno della doppia membrana. Il lato idrofilo dello strato esterno è rivolto verso l'esterno della cellula, mentre il lato idrofilo dello strato interno è rivolto verso il citoplasma.

Fondamentalmente, la membrana plasmatica è semipermeabile, il che significa che, un po' come un buttafuori in una discoteca, concede l'ingresso a determinate molecole negando l'ingresso ad altre. Piccole molecole come il glucosio (lo zucchero che funge da ultima fonte di combustibile per tutte le cellule) e l'anidride carbonica può muoversi liberamente dentro e fuori la cellula, schivando le molecole di fosfolipidi allineate perpendicolarmente alla membrana come un totale. Altre sostanze sono attivamente trasportate attraverso la membrana da "pompe" alimentate da adenosina trifosfato (ATP), un nucleotide che funge da "valuta" energetica di tutte le cellule.
Maggiori informazioni sulla struttura e la funzione della membrana plasmatica.

Il nucleo funziona come il cervello delle cellule eucariotiche. La membrana plasmatica attorno al nucleo è chiamata involucro nucleare. All'interno del nucleo sono cromosomi, che sono "pezzi" di DNA; il numero di cromosomi varia da specie a specie (gli esseri umani hanno 23 tipi distinti, ma 46 in tutto – uno per ogni tipo dalla madre e uno dal padre).

Quando una cellula eucariotica si divide, il DNA all'interno del nucleo lo fa per primo, dopo che tutti i cromosomi sono stati replicati. Questo processo, chiamato mitosi, è dettagliato in seguito.

I ribosomi si trovano nel citoplasma delle cellule eucariotiche e procariotiche. Negli eucarioti sono raggruppati lungo certi organelli (strutture legate alla membrana che hanno funzioni specifiche, come organi come il fegato e i reni fanno nel corpo su scala più ampia). I ribosomi producono proteine ​​usando istruzioni trasportate nel "codice" del DNA e trasmesse ai ribosomi dall'acido ribonucleico messaggero (mRNA).

Dopo che l'mRNA è sintetizzato nel nucleo usando il DNA come stampo, lascia il nucleo e si attacca ai ribosomi, che assemblano proteine ​​tra 20 diverse aminoacidi. Il processo di creazione dell'mRNA è chiamato trascrizione, mentre la stessa sintesi proteica è nota come traduzione.

Nessuna discussione sulla composizione e sulla funzione delle cellule eucariotiche potrebbe essere completa o addirittura rilevante senza un trattamento completo dei mitocondri. Questi organelli che sono notevoli in almeno due modi: hanno aiutato gli scienziati a imparare molto sulle origini evolutive di cellule in generale, e sono quasi gli unici responsabili della diversità della vita eucariotica permettendo lo sviluppo delle cellule respirazione.

Tutte le cellule usano il glucosio zucchero a sei atomi di carbonio come combustibile. Sia nei procarioti che negli eucarioti, il glucosio subisce una serie di reazioni chimiche chiamate collettivamente glicolisi, che genera una piccola quantità di ATP per le esigenze della cellula. In quasi tutti i procarioti, questa è la fine della linea metabolica. Ma negli eucarioti, che sono in grado di utilizzare l'ossigeno, i prodotti della glicolisi passano nei mitocondri e subiscono ulteriori reazioni.

Il primo di questi è il ciclo di Krebs, che crea una piccola quantità di ATP ma funziona principalmente per accumulare molecole intermedie per il gran finale della respirazione cellulare, il catena di trasporto degli elettroni. Il ciclo di Krebs si svolge nel matrice dei mitocondri (la versione dell'organello di un citoplasma privato), mentre la catena di trasporto degli elettroni, che produce la stragrande maggioranza di ATP negli eucarioti, traspira sui mitocondri interni membrana.

Le cellule eucariotiche vantano una serie di elementi specializzati che sottolineano le vaste esigenze metaboliche interconnesse di queste cellule complesse. Questi includono:

• Reticolo endoplasmatico: Questo organello è una rete di tubuli costituiti da una membrana plasmatica che è continua con l'involucro nucleare. Il suo compito è modificare le proteine ​​appena prodotte per prepararle alle loro funzioni cellulari a valle come enzimi, elementi strutturali e così via, adattandole alle esigenze specifiche della cellula. Produce anche carboidrati, lipidi (grassi) e ormoni. Il reticolo endoplasmatico appare liscio o ruvido alla microscopia, forme abbreviate rispettivamente SER e RER. Il RER è così designato perché "costellato" di ribosomi; è qui che avviene la modifica della proteina. Il SER, invece, è il luogo in cui vengono assemblate le suddette sostanze.
• corpi del Golgi: Detto anche apparato del Golgi. Sembra una pila appiattita di sacche legate alla membrana e racchiude lipidi e proteine ​​in vescicole che poi si staccano dal reticolo endoplasmatico. Le vescicole forniscono i lipidi e le proteine ​​ad altre parti della cellula.
  
• Lisosomi: Tutti i processi metabolici generano rifiuti e la cellula deve possedere un mezzo per liberarsene. Questa funzione è svolta dai lisosomi, che contengono enzimi digestivi che scompongono proteine, grassi e altre sostanze, compresi gli stessi organelli logori.
• Vacuoli e vescicole: Questi organelli sono sacche che ruotano attorno a vari componenti cellulari, portandoli da una posizione intracellulare all'altra. La principale differenza è che le vescicole possono fondersi con altri componenti membranosi della cellula, mentre i vacuoli no. Nelle cellule vegetali, alcuni vacuoli contengono enzimi digestivi che possono abbattere grandi molecole, non diversamente dai lisosomi.
• Citoscheletro: Questo materiale è costituito da microtubuli, complessi proteici che offrono supporto strutturale estendendosi dal nucleo attraverso il citoplasma fino alla membrana plasmatica. In questo senso, sono come le travi e le travi di un edificio, che agiscono per impedire che l'intera cellula dinamica collassi su se stessa.

Quando le cellule batteriche si dividono, il processo è semplice: la cellula copia tutti i suoi elementi, compreso il suo Il DNA, mentre raddoppia approssimativamente di dimensioni, e quindi si divide in due in un processo noto come fissione binaria.

La divisione delle cellule eucariotiche è più coinvolta. Innanzitutto, il DNA nel nucleo viene replicato mentre l'involucro nucleare si dissolve, quindi i cromosomi replicati si separano nei nuclei figli. Questo è noto come mitosi e consiste in quattro fasi distinte: profase, metafase, anafase e telofase; molte fonti inseriscono un quinto stadio, chiamato prometafase, subito dopo la profase. Successivamente, il nucleo si divide e si formano nuovi involucri nucleari attorno ai due identici set di cromosomi.

Infine, la cellula nel suo insieme si divide in un processo noto come citochinesi. Quando certi difetti sono presenti nel DNA grazie a malformazioni ereditarie (mutazioni) o alla presenza di sostanze chimiche dannose, la divisione cellulare può procedere senza controllo; questa è la base per i tumori, un gruppo di malattie per le quali non esiste ancora una cura, sebbene i trattamenti continuino a migliorare per consentire una qualità della vita notevolmente migliorata.