La cellula

• La cellula è verosimilmente la più piccola unità vivente.
• Esistono organismi formati da una sola cellula e organismi formati da molte cellule.
• Le cellule sono costituite da molecole organiche, crescono, si differenziano e si moltiplicano.
• Il DNA è la molecola che contiene le istruzioni necessarie alla cellula per nascere, sopravvivere ed esercitare le funzioni che le sono assegnate nell’organismo.

Le cellule sono generalmente considerate le più piccole unità viventi e possono essere divise in due categorie: le cellule procarioti, prive di nucleo ben definito, e le cellule eucarioti, definite invece da un nucleo delimitato da una membrana. Gli organismi animali e vegetali possono essere costituiti da una sola cellula (organismi unicellulari), o da molte (organismi pluricellulari). Le cellule degli organismi pluricellulari sono sempre eucarioti, mentre quella che compone un organismo unicellulare può essere eucariote o procariote. Gli esseri umani sono organismi pluricellulari eucarioti.

Ogni cellula è formata da molecole organiche, ovvero di composti del carbonio. Le molecole organiche comprendono, tra gli altri, i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici.

All’interno della cellula eucariote avvengono reazioni biochimiche e metaboliche mediate dagli enzimi, proteine in grado di catalizzare e in certi casi anche accelerare i processi biologici. Tali reazioni spesso avvengono nelle strutture cellulari, chiamate organelli e delimitati da membrane, che comprendono:

• il nucleo, che contiene il patrimonio genetico ed è delimitato dalla membrana nucleare;
• i mitocondri, responsabili della produzione di energia;
• il reticolo endoplasmatico, in cui vengono sintetizzati proteine e lipidi;
• l’apparato di Golgi, che contribuisce alla maturazione delle sostanze sintetizzate nel reticolo endoplasmatico indirizzandole alla sede in cui sono richieste, mediante piccole sacche chiamate

La cellula stessa è delimitata da un sottile strato di fosfolipidi, la membrana plasmatica. Questa membrana lascia passare acqua, ossigeno, anidride carbonica e altre molecole semplici, mentre il passaggio di molecole più complesse è selettivo ed è spesso mediato da proteine. Delimitato dalla membrana plasmatica è il citoplasma, ovvero tutto il materiale contenuto nella cellula a eccezione del nucleo e degli altri organelli.

Le cellule si moltiplicano attraverso un processo chiamato mitosi, in cui da una cellula madre si formano due cellule figlie identiche alla progenitrice. La moltiplicazione delle cellule è chiamata anche divisione cellulare, un processo chiave anche nella biologia dei tumori, perché la crescita della massa tumorale è determinata dalla divisione incontrollata di cellule con anomalie.

La mitosi fa parte del cosiddetto ciclo cellulare, di cui è l’ultima fase. Nell prima fase del ciclo, detta G₁, la cellula cresce e sintetizza nuovi organelli e altre molecole necessarie per le fasi successive; nella fase S, duplica il proprio DNA, mentre nella fase G₂ si prepara alla divisione, che avviene come detto, durante la mitosi (fase M). Le cellule che non si dividono si trovano in una fase quiescente, detta G₀.

In un organismo pluricellulare si possono identificare molti tipi cellulari distinti, ciascuno specializzato in un compito specifico che contribuisce al funzionamento dell’organismo nel suo complesso. In un essere umano adulto esistono circa 200 tipi cellulari. Tutti questi tipi di cellule diverse – neuroni, cellule muscolari, globuli bianchi e così via – si differenziano e maturano a partire da cellule staminali identiche tra loro e immature che si trovano fin dai primi momenti di vita di un embrione. Questo processo è orchestrato da una molecola fondamentale, il DNA.

DNA sta per acido deossiribonucleico (dall’inglese, deoxyribonucleic acid). Dal punto di vista della composizione chimica, la molecola di DNA è costituita dalla ripetizione di un’unità base, il nucleotide, composto a sua volta da una molecola di acido fosforico (gruppo fosfato), uno zucchero (il deossiribosio) e un composto organico chiamato base azotata. Adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) sono le quattro basi azotate che si possono trovare nel DNA. Quando tanti nucleotidi si legano tra loro, si forma un filamento di DNA, in cui si può identificare uno “scheletro” di deossiribosio e fosfato da cui sporgono le basi azotate.

L’ordine con cui i nucleotidi si posizionano nel filamento costituisce la sequenza del DNA, schematizzata con le iniziali delle basi contenute nei nucleotidi (es. ATGCCGTTCATTAAA…). Il DNA di una cellula comprende porzioni dette codificanti, che contiene le informazioni per produrre le proteine, e una porzione non codificante, che ha funzioni regolatorie. Ogni segmento di DNA che contiene l’informazione necessaria per la sintesi di una proteina è chiamato gene. La sequenza del DNA è ciò che caratterizza ogni individuo dal punto di vista genetico. Alterazioni nella sequenza del DNA sono alla base delle malattie genetiche e dei tumori.

Il DNA è formato da due filamenti appaiati. I filamenti sono tenuti insieme da legami chimici (legami a idrogeno) che si formano tra le basi azotate, e sono detti complementari in quanto la struttura delle basi determina che l’adenina leghi solo la timina, e viceversa, e la citosina leghi solo la guanosina, e viceversa. Il genoma umano è costituito da circa 3 miliardi di coppie di basi.

I filamenti di DNA sono anche antiparalleli: i legami chimici tra i nucleotidi danno infatti a ogni filamento una “direzione": un filamento ha direzione 5’-3’ (cinque primo-tre primo), mentre l’altro ha direzione 3’-5’ (tre primo-cinque primo). La struttura tridimensionale del DNA ha una forma che ricorda una doppia elica.

Il DNA si trova nel nucleo della cellula sotto forma di cromatina. Il doppio filamento di nucleotidi si avvolge attorno a particolari proteine, chiamate istoni, compattandosi poi ulteriormente nei cromosomi. Ogni cellula somatica, ovvero non sessuale, di un essere umano contiene 23 paia di cromosomi, 46 in tutto; le cellule sessuali (spermatozoi e oociti) hanno invece solo 23 cromosomi. Il DNA è la molecola alla base dell’ereditarietà: un individuo eredita molte caratteristiche dei genitori perché il DNA delle cellule sessuali che si fondono durante la fecondazione viene trasmesso a tutte le cellule dell’embrione.

Quando una cellula si divide, trasmette una copia completa del patrimonio genetico a ognuna delle due cellule figlie, sintetizzando una copia del proprio DNA. Questo processo è detto replicazione o duplicazione del DNA e ognuno dei due filamenti funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento. La duplicazione del DNA coinvolge numerosi enzimi. Molti farmaci antitumorali agiscono bloccando questi enzimi e, di conseguenza, la possibilità della cellula di proliferare. Poiché la sequenza nucleotidica del DNA controlla tutti i processi che avvengono nella cellula, è essenziale che quando il DNA viene duplicato non vengano introdotti errori, in quanto questi possono causare malattie genetiche e tumori. Errori nel corso della replicazione del DNA, seppure rari, sono tuttavia inevitabili. Tali errori sono per la maggior parte corretti da appositi processi cellulari, almeno finché la cellula e l’organismo sono in buona forma.

Tutte le cellule di un organismo hanno la stessa dotazione di DNA, ma i geni che si attivano in una certa cellula e in un certo momento sono spesso diversi, perché diverse sono le funzioni che i vari tipi di cellule svolgono e di conseguenza diverse sono le proteine coinvolte. È qui che entra in gioco l’RNA, o acido ribonucleico (in inglese, ribonucleic acid), una molecola a singolo filamento costituita dalla ripetizione di nucleotidi simili a quelli del DNA, se non per il fatto che lo zucchero è il ribosio anziché il desossiribosio e che al posto della timina c’è un’altra base azotata chiamata uracile (U).

L’RNA è coinvolto nella sintesi delle proteine, che si svolge in due fasi: nella prima fase, che avviene nel nucleo, una porzione di DNA corrispondente a un gene viene trascritta in una molecola di RNA messaggero (mRNA); nella seconda fase, che avviene nei ribosomi, l’mRNA è tradotto in una catena di amminoacidi che va a formare la proteina desiderata. La corrispondenza tra la sequenza dei nucleotidi dell’mRNA e la sequenza degli amminoacidi, le unità base delle proteine, è stabilita dal cosiddetto codice genetico.

Oltre agli RNA messaggeri, la cellula contiene altri tipi di RNA: gli rRNA e tRNA, coinvolti anch’essi nella sintesi delle proteine, e altri RNA invece regolatori (per esempio i lncRNA e i miRNA).